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,。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(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。
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,。