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0.6 V）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(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（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+1 dB（起點）至–50 dB,。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(>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（5 kHz至10 MHz）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(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,。
作者簡介
Doug Mercer于1977年畢業(yè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)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(zhuǎn)型,，并繼續(xù)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(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)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(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,。