目標

本實驗活動的目的是測量反向偏置PN結的容值與(yu) 電壓的關(guan) 係。

背景知識

PN結電容

增加PN結上的反向偏置電壓V_J會(hui) 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(ge) 耗盡層充當電容的兩(liang) 個(ge) 導電板之間的絕緣體(ti) 。這個(ge) W層的厚度與(yu) 施加的電場和摻雜濃度呈函數關(guan) 係。PN結電容分為(wei) 勢壘電容和擴散電容兩(liang) 部分。在反向偏置條件下，不會(hui) 發生自由載流子注入；因此，擴散電容等於(yu) 零。對於(yu) 反向和小於(yu) 二極管開啟電壓（矽芯片為(wei) 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，根據結麵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(yu) 施加的偏置電壓之間的依賴關(guan) 係被稱為(wei) 結的電容-電壓(CV)特性。在本次實驗中，您將測量各個(ge) PN結（二極管）此特性的值，並繪製數值圖。

圖1.PN結耗盡區。

材料

• ADALM2000 主動學習(xi) 模塊

• 無焊麵包板

• 一個(ge) 10 kΩ電阻

• 一個(ge) 39 pF電容

• 一個(ge) 1N4001二極管

• 一個(ge) 1N3064二極管

• 一個(ge) 1N914二極管

• 紅色、黃色和綠色LED

• 一個(ge) 2N3904 NPN晶體(ti) 管

• 一個(ge) 2N3906 PNP晶體(ti) 管

步驟1

在無焊麵包板上，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C_m。兩(liang) 個(ge) 示波器負輸入1–和2–都接地。示波器通道1+輸入與(yu) AWG1輸出W1一起連接到麵包板上的同一行。將示波器通道2+插入麵包板,且保證與(yu) 插入的AWG輸出間隔8到10行，將與(yu) 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。由於(yu) 沒有屏蔽飛線，盡量讓W1和1+兩(liang) 條連接線遠離2+連接線。

圖2.用於(yu) 測量C_m的步驟1設置

硬件設置

使用Scopy軟件中的網絡分析儀(yi) 工具獲取增益（衰減）與(yu) 頻率（5 kHz至10 MHz）的關(guan) 係圖。示波器通道1為(wei) 濾波器輸入，示波器通道2為(wei) 濾波器輸出。將AWG偏置設置為(wei) 1 V，幅度設置為(wei) 200 mV。測量一個(ge) 簡單的實際電容時，偏置值並不重要，但在後續步驟中測量二極管時，偏置值將會(hui) 用作反向偏置電壓。縱坐標範圍設置為(wei) +1 dB（起點）至–50 dB。運行單次掃描，然後將數據導出到.csv文件。您會(hui) 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(ge) 相對較為(wei) 平坦的區域，此時，C1、C_m容性分壓器的阻抗要遠低於(yu) R1。

圖3.用於(yu) 測量C_m的步驟1設置

步驟1

圖4.Scopy屏幕截圖。

我們(men) 選擇讓C1遠大於(yu) C_stray，這樣可以在計算中忽略C_stray，但是計算得出的值仍與(yu) 未知的C_m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(wei) G_HF1（單位：dB）。在已知G_HF1和C1的情況下，我們(men) 可以使用以下公式計算C_m。記下C_m值，在下一步測量各種二極管PN結的電容時，我們(men) 需要用到這個(ge) 值。

步驟2

現在，我們(men) 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。在無焊麵包板上，按照圖4和圖5所示構建測試設置。隻需要使用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.用於(yu) 測量二極管電容的步驟2設置。

硬件設置

圖6.用於(yu) 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(yi) 工具獲取表1中各AWG 1 DC偏置值時增益（衰減）與(yu) 頻率（5 kHz至10 MHz）的關(guan) 係圖。將每次掃描的數據導出到不同的.csv文件。

程序步驟

在表1剩餘(yu) 的部分，填入各偏置電壓值的G_HF值，然後使用C_m值和步驟1中的公式來計算C_diode的值。

表1.電容與(yu) 電壓數據

圖7.偏置為(wei) 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，然後重複對第一個(ge) 二極管執行的掃描步驟。將測量數據和計算得出的C_diode值填入另一個(ge) 表。與(yu) 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(yu) 反向偏置電壓圖表。

然後，使用ADALM2000套件中的一個(ge) 1N914二極管，替換1N3064二極管。然後，重複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C_diode值填入另一個(ge) 表。與(yu) 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於(yu) 其他兩(liang) 個(ge) 二極管的電容。該值可能非常小，幾乎與(yu) C_stray的值相當。

額外加分的測量

發光二極管或LED也是PN結。它們(men) 是由矽以外的材料製成的，所以它們(men) 的導通電壓與(yu) 普通二極管有很大不同。但是，它們(men) 仍然具有耗盡層和電容。為(wei) 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(hui) 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C_m。

作者簡介

Doug Mercer於(yu) 1977年畢業(ye) 於(yu) 倫(lun) 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(chan) 品，並擁有13項專(zhuan) 利。他於(yu) 1995年被任命為(wei) ADI研究員。2009年，他從(cong) 全職工作轉型，並繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為(wei) “主動學習(xi) 計劃”撰稿。2016年，他被任命為(wei) RPI ECSE係的駐校工程師。

作者簡介

Antoniu Miclaus現為(wei) ADI公司的係統應用工程師，從(cong) 事ADI教學項目工作，同時為(wei) 實驗室電路^®、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。他於(yu) 2017年2月在羅馬尼亞(ya) 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(yu) 電信工程學士學位。