目標

本實驗活動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

PN結(jié)電容

增加PN結(jié)上的反向偏置電壓VJ會導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)。這個耗盡層充當電容的兩個導電板之間的絕緣體。這個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散電容兩部分。在反向偏置條件下，不會發(fā)生自由載流子注入;因此，擴散電容等于零。對于反向和小于二極管開啟電壓(硅芯片為0.6V)的正偏置電壓，勢壘電容是主要的電容來源。在實際應(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幾pF，也可以達到幾百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。在本次實驗中，您將測量各個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主動學習模塊

? 無焊面包板

? 一個10kΩ電阻

? 一個39pF電容

? 一個1N4001二極管

? 一個1N3064二極管

? 一個1N914二極管

? 紅色、黃色和綠色LED

? 一個2N3904 NPN晶體管

? 一個2N3906 PNP晶體管

步驟1

在無焊面包板上，按照圖2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。兩個示波器負輸入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W1和1+兩條連接線遠離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(5kHz至10MHz)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1V，幅度設(shè)置為200mV。測量一個簡單的實際電容時，偏置值并不重要，但在后續(xù)步驟中測量二極管時，偏置值將會用作反向偏置電壓。縱坐標范圍設(shè)置為+1dB(起點)至–50dB。運行單次掃描，然后將數(shù)據(jù)導出到.csv文件。您會發(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)該存在一個相對較為平坦的區(qū)域，此時，C1、Cm容性分壓器的阻抗要遠低于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遠大于Cstray，這樣可以在計算中忽略Cstray，但是計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，滾動至接近高頻(>1MHz)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算Cm。記下Cm值，在下一步測量各種二極管PN結(jié)的電容時，我們需要用到這個值。

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，按照圖4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偏置值時增益(衰減)與頻率(5kHz至10MHz)的關(guān)系圖。將每次掃描的數(shù)據(jù)導出到不同的.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中的公式來計算Cdiode的值。

表1.電容與電壓數(shù)據(jù)

圖7.偏置為0V時的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)對第一個二極管執(zhí)行的掃描步驟。將測量數(shù)據(jù)和計算得出的Cdiode值填入另一個表。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1N914二極管，替換1N3064二極管。然后，重復(fù)您剛對其他二極管執(zhí)行的相同掃描步驟。將測量數(shù)據(jù)和計算得出的Cdiode值填入另一個表。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)該遠小于其他兩個二極管的電容。該值可能非常小，幾乎與Cstray的值相當。

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，以便實現(xiàn)反向偏置。如果操作有誤，LED有時可能會亮起。

問題

使用步驟1中的公式、C1的值以及圖4中的圖，計算示波器輸入電容Cm。

您可以在學子專區(qū)博客上找到問題答案。