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實驗:PN結電容與電壓的關系

2019-11-25
作者:Doug Mercer、Antoniu Miclaus
來源:ADI公司
關鍵詞: PN結電容 電壓 測量

目標

  本實驗活動的目的是測量反向偏置PN結的容值與電壓的關系。

背景知識

PN結電容

  增加PN結上的反向偏置電壓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關系。PN結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0.6 V)的正偏置電壓,勢壘電容是主要的電容來源。在實際應用中,根據結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。結電容與施加的偏置電壓之間的依賴關系被稱為結的電容-電壓(CV)特性。在本次實驗中,您將測量各個PN結(二極管)此特性的值,并繪制數值圖。

  圖1.PN結耗盡區。

材料

  ADALM2000 主動學習???/p>

  無焊面包板

  一個10 kΩ電阻

  一個39 pF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所示構建測試設置。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設置

硬件設置

  使用Scopy軟件中的網絡分析儀工具獲取增益(衰減)與頻率(5 kHz至10 MHz)的關系圖。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偏置設置為1 V,幅度設置為200 mV。測量一個簡單的實際電容時,偏置值并不重要,但在后續步驟中測量二極管時,偏置值將會用作反向偏置電壓。縱坐標范圍設置為+1 dB(起點)至–50 dB。運行單次掃描,然后將數據導出到.csv文件。您會發現存在高通特性,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域,應該存在一個相對較為平坦的區域,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據文件,滾動至接近高頻(>1 MHz)數據的末尾部分,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結的電容時,我們需要用到這個值。

ADI技術文章 - 實驗:PN結電容與電壓的關系1331.png

步驟2

  現在,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所示構建測試設置。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設置。

硬件設置

  圖6.用于測量二極管電容的步驟2設置。

  使用Scopy軟件中的網絡分析儀工具獲取表1中各AWG 1 DC偏置值時增益(衰減)與頻率(5 kHz至10 MHz)的關系圖。將每次掃描的數據導出到不同的.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.電容與電壓數據

  

  圖7.偏置為0 V時的Scopy屏幕截圖。

  使用ADALM2000套件中的1N3064二極管替換1N4001二極管,然后重復對第一個二極管執行的掃描步驟。將測量數據和計算得出的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,重復您剛對其他二極管執行的相同掃描步驟。將測量數據和計算得出的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

  發光二極管或LED也是PN結。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,它們仍然具有耗盡層和電容。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。在測試設置中插入LED,確保極性正確,以便實現反向偏置。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。

  您可以在學子專區博客上找到問題答案。

作者簡介

Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI),獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來,他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品,并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年,他從全職工作轉型,并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問,為“主動學習計劃”撰稿。2016年,他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師,從事ADI教學項目工作,同時為實驗室電路?、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。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軟件工程碩士項目的理學碩士生,擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。

 

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