實(shí)驗(yàn)：PN結(jié)電容與電壓的關(guān)系

作者：Doug Mercer、Antoniu Miclaus ADI公司

目標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的目的是測量反向偏置PN結(jié)的容值與電壓的關(guān)系。

背景知識(shí)

PN結(jié)電容

增加PN結(jié)上的反向偏置電壓VJ會(huì)導(dǎo)致連接處電荷的重新分配，形成耗盡區(qū)或耗盡層（圖1中的W）。這個(gè)耗盡層充當(dāng)電容的兩個(gè)導(dǎo)電板之間的絕緣體。這個(gè)W層的厚度與施加的電場和摻雜濃度呈函數(shù)關(guān)系。PN結(jié)電容分為勢壘電容和擴(kuò)散電容兩部分。在反向偏置條件下，不會(huì)發(fā)生自由載流子注入；因此，擴(kuò)散電容等于零。對(duì)于反向和小于二極管開啟電壓（硅芯片為0.6 V）的正偏置電壓，勢壘電容是主要的電容來源。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)結(jié)面積和摻雜濃度的不同，勢壘電容可以小至零點(diǎn)幾pF，也可以達(dá)到幾百pF。結(jié)電容與施加的偏置電壓之間的依賴關(guān)系被稱為結(jié)的電容-電壓（CV）特性。在本次實(shí)驗(yàn)中，您將測量各個(gè)PN結(jié)（二極管）此特性的值，并繪制數(shù)值圖。

圖1.PN結(jié)耗盡區(qū)。

材料

?ADALM2000 主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

?無焊面包板

?一個(gè)10 kΩ電阻

?一個(gè)39 pF電容

?一個(gè)1N4001二極管

?一個(gè)1N3064二極管

?一個(gè)1N914二極管

?紅色、黃色和綠色LED

?一個(gè)2N3904 NPN晶體管

?一個(gè)2N3906 PNP晶體管

步驟1

在無焊面包板上，按照?qǐng)D2和圖3所示構(gòu)建測試設(shè)置。第一步是利用在AWG輸出和示波器輸入之間連接的已知電容C1來測量未知電容Cm。兩個(gè)示波器負(fù)輸入1–和2–都接地。示波器通道1+輸入與AWG1輸出W1一起連接到面包板上的同一行。將示波器通道2+插入面包板，且保證與插入的AWG輸出間隔8到10行，將與示波器通道2+相鄰偏向AWG1的那一行接地，保證AWG1和示波器通道2之間任何不必要的雜散耦合最小。由于沒有屏蔽飛線，盡量讓W(xué)1和1+兩條連接線遠(yuǎn)離2+連接線。

圖2.用于測量Cm的步驟1設(shè)置

硬件設(shè)置

使用Scopy軟件中的網(wǎng)絡(luò)分析儀工具獲取增益（衰減）與頻率（5 kHz至10 MHz）的關(guān)系圖。示波器通道1為濾波器輸入，示波器通道2為濾波器輸出。將AWG偏置設(shè)置為1 V，幅度設(shè)置為200 mV。測量一個(gè)簡單的實(shí)際電容時(shí)，偏置值并不重要，但在后續(xù)步驟中測量二極管時(shí)，偏置值將會(huì)用作反向偏置電壓?？v坐標(biāo)范圍設(shè)置為+1 dB（起點(diǎn)）至–50 dB。運(yùn)行單次掃描，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到.csv文件。您會(huì)發(fā)現(xiàn)存在高通特性，即在極低頻率下具有高衰減，而在這些頻率下，相比R1，電容的阻抗非常大。在頻率掃描的高頻區(qū)域，應(yīng)該存在一個(gè)相對(duì)較為平坦的區(qū)域，此時(shí)，C1、Cm容性分壓器的阻抗要遠(yuǎn)低于R1。

圖3.用于測量Cm的步驟1設(shè)置

步驟1

圖4.Scopy屏幕截圖。

我們選擇讓C1遠(yuǎn)大于Cstray，這樣可以在計(jì)算中忽略Cstray，但是計(jì)算得出的值仍與未知的Cm相近。

在電子表格程序中打開保存的數(shù)據(jù)文件，滾動(dòng)至接近高頻（》1 MHz）數(shù)據(jù)的末尾部分，其衰減電平基本是平坦的。記錄幅度值為GHF1（單位：dB）。在已知GHF1和C1的情況下，我們可以使用以下公式計(jì)算Cm。記下Cm值，在下一步測量各種二極管PN結(jié)的電容時(shí)，我們需要用到這個(gè)值。

步驟2

現(xiàn)在，我們將在各種反向偏置條件下，測量ADALM2000模擬套件中各種二極管的電容。在無焊面包板上，按照?qǐng)D4和圖5所示構(gòu)建測試設(shè)置。只需要使用D1（1N4001）替換C1。插入二極管，確保極性正確，這樣AWG1中的正偏置將使二極管反向偏置。

圖5.用于測量二極管電容的步驟2設(shè)置。

硬件設(shè)置

圖6.用于測量二極管電容的步驟2設(shè)置。

使用Scopy軟件中的網(wǎng)絡(luò)分析儀工具獲取表1中各AWG 1 DC偏置值時(shí)增益（衰減）與頻率（5 kHz至10 MHz）的關(guān)系圖。將每次掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到不同的.csv文件。

程序步驟

在表1剩余的部分，填入各偏置電壓值的GHF值，然后使用Cm值和步驟1中的公式來計(jì)算Cdiode的值。

表1.電容與電壓數(shù)據(jù)

圖7.偏置為0 V時(shí)的Scopy屏幕截圖。

使用ADALM2000套件中的1N3064二極管替換1N4001二極管，然后重復(fù)對(duì)第一個(gè)二極管執(zhí)行的掃描步驟。將測量數(shù)據(jù)和計(jì)算得出的Cdiode值填入另一個(gè)表。與1N4001二極管的值相比，1N3064的值有何不同？您應(yīng)該附上您測量的各二極管的電容與反向偏置電壓圖表。

然后，使用ADALM2000套件中的一個(gè)1N914二極管，替換1N3064二極管。然后，重復(fù)您剛對(duì)其他二極管執(zhí)行的相同掃描步驟。將測量數(shù)據(jù)和計(jì)算得出的Cdiode值填入另一個(gè)表。與1N4001和1N3064二極管的值相比，1N914的值有何不同？

您測量的1N914二極管的電容應(yīng)該遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)二極管的電容。該值可能非常小，幾乎與Cstray的值相當(dāng)。

額外加分的測量

發(fā)光二極管或LED也是PN結(jié)。它們是由硅以外的材料制成的，所以它們的導(dǎo)通電壓與普通二極管有很大不同。但是，它們?nèi)匀痪哂泻谋M層和電容。為了獲得額外加分，請(qǐng)和測量普通二極管一樣，測量ADALM2000模擬器套件中的紅色、黃色和綠色LED。在測試設(shè)置中插入LED，確保極性正確，以便實(shí)現(xiàn)反向偏置。如果操作有誤，LED有時(shí)可能會(huì)亮起。

問題

使用步驟1中的公式、C1的值以及圖4中的圖，計(jì)算示波器輸入電容Cm。

您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到問題答案。

作者簡介

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院（RPI），獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

作者簡介

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)室電路?、QA自動(dòng)化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。