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實(shí)驗(yàn):PN結(jié)電容與電壓的關(guān)系

發(fā)布時(shí)間:2019-11-25 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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。
 
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
 
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。

實(shí)驗(yàn):PN結(jié)電容與電壓的關(guān)系 
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(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。
 
 實(shí)驗(yàn):PN結(jié)電容與電壓的關(guān)系
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。縱坐標(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。
 
 實(shí)驗(yàn):PN結(jié)電容與電壓的關(guān)系
圖3.用于測量Cm的步驟1設(shè)置
 
步驟1
 
 
實(shí)驗(yàn):PN結(jié)電容與電壓的關(guān)系
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。
 
實(shí)驗(yàn):PN結(jié)電容與電壓的關(guān)系
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。
 
 實(shí)驗(yàn):PN結(jié)電容與電壓的關(guān)系
圖5.用于測量二極管電容的步驟2設(shè)置。
 
硬件設(shè)置
 
實(shí)驗(yàn):PN結(jié)電容與電壓的關(guān)系
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。
 
實(shí)驗(yàn):PN結(jié)電容與電壓的關(guān)系

實(shí)驗(yàn):PN結(jié)電容與電壓的關(guān)系
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。
 
 
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