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实验:PN结电容与电压的关系

2019-11-25
作者:Doug Mercer、Antoniu Miclaus
来源:ADI公司
关键词: PN结电容 电压 测量

目标

  本实验活动的目的是测量反向偏置PN结的容值与电压的关系。

背景知识

PN结电容

  增加PN结上的反向偏置电压VJ会导致连接处电荷的重新分配,形成耗尽区或耗尽层(图1中的W)。这个耗尽层充当电容的两个导电板之间的绝缘体。这个W层的厚度与施加的电场和掺杂浓度呈函数关系。PN结电容分为势垒电容和扩散电容两部分。在反向偏置条件下,不会发生自由载流子注入;因此,扩散电容等于零。对于反向和小于二极管开启电压(硅芯片为0.6 V)的正偏置电压,势垒电容是主要的电容来源。在实际应用中,根据结面积和掺杂浓度的不同,势垒电容可以小至零点几pF,也可以达到几百pF。结电容与施加的偏置电压之间的依赖关系被称为结的电容-电压(CV)特性。在本次实验中,您将测量各个PN结(二极管)此特性的值,并绘制数值图。

  图1.PN结耗尽区。

材料

  ADALM2000 主动学习模块

  无焊面包板

  一个10 kΩ电阻

  一个39 pF电容

  一个1N4001二极管

  一个1N3064二极管

  一个1N914二极管

  红色、黄色和绿色LED

  一个2N3904 NPN晶体管

  一个2N3906 PNP晶体管

步骤1

  在无焊面包板上,按照图2和图3所示构建测试设置。第一步是利用在AWG输出和示波器输入之间连接的已知电容C1来测量未知电容Cm。两个示波器负输入1–和2–都接地。示波器通道1+输入与AWG1输出W1一起连接到面包板上的同一行。将示波器通道2+插入面包板,且保证与插入的AWG输出间隔8到10行,将与示波器通道2+相邻偏向AWG1的那一行接地,保证AWG1和示波器通道2之间任何不必要的杂散耦合最小。由于没有屏蔽飞线,尽量让W1和1+两条连接线远离2+连接线。

  图2.用于测量Cm的步骤1设置

硬件设置

  使用Scopy软件中的网络分析仪工具获取增益(衰减)与频率(5 kHz至10 MHz)的关系图。示波器通道1为滤波器输入,示波器通道2为滤波器输出。将AWG偏置设置为1 V,幅度设置为200 mV。测量一个简单的实际电容时,偏置值并不重要,但在后续步骤中测量二极管时,偏置值将会用作反向偏置电压。纵坐标范围设置为+1 dB(起点)至–50 dB。运行单次扫描,然后将数据导出到.csv文件。您会发现存在高通特性,即在极低频率下具有高衰减,而在这些频率下,相比R1,电容的阻抗非常大。在频率扫描的高频区域,应该存在一个相对较为平坦的区域,此时,C1、Cm容性分压器的阻抗要远低于R1。

  图3.用于测量Cm的步骤1设置

步骤1

  图4.Scopy屏幕截图。

  我们选择让C1远大于Cstray,这样可以在计算中忽略Cstray,但是计算得出的值仍与未知的Cm相近。

  在电子表格程序中打开保存的数据文件,滚动至接近高频(>1 MHz)数据的末尾部分,其衰减电平基本是平坦的。记录幅度值为GHF1(单位:dB)。在已知GHF1和C1的情况下,我们可以使用以下公式计算Cm。记下Cm值,在下一步测量各种二极管PN结的电容时,我们需要用到这个值。

ADI技术文章 - 实验:PN结电容与电压的关系1331.png

步骤2

  现在,我们将在各种反向偏置条件下,测量ADALM2000模拟套件中各种二极管的电容。在无焊面包板上,按照图4和图5所示构建测试设置。只需要使用D1(1N4001)替换C1。插入二极管,确保极性正确,这样AWG1中的正偏置将使二极管反向偏置。

  图5.用于测量二极管电容的步骤2设置。

硬件设置

  图6.用于测量二极管电容的步骤2设置。

  使用Scopy软件中的网络分析仪工具获取表1中各AWG 1 DC偏置值时增益(衰减)与频率(5 kHz至10 MHz)的关系图。将每次扫描的数据导出到不同的.csv文件。

程序步骤

  在表1剩余的部分,填入各偏置电压值的GHF值,然后使用Cm值和步骤1中的公式来计算Cdiode的值。

表1.电容与电压数据

  

  图7.偏置为0 V时的Scopy屏幕截图。

  使用ADALM2000套件中的1N3064二极管替换1N4001二极管,然后重复对第一个二极管执行的扫描步骤。将测量数据和计算得出的Cdiode值填入另一个表。与1N4001二极管的值相比,1N3064的值有何不同?您应该附上您测量的各二极管的电容与反向偏置电压图表。

  然后,使用ADALM2000套件中的一个1N914二极管,替换1N3064二极管。然后,重复您刚对其他二极管执行的相同扫描步骤。将测量数据和计算得出的Cdiode值填入另一个表。与1N4001和1N3064二极管的值相比,1N914的值有何不同?

  您测量的1N914二极管的电容应该远小于其他两个二极管的电容。该值可能非常小,几乎与Cstray的值相当。

额外加分的测量

  发光二极管或LED也是PN结。它们是由硅以外的材料制成的,所以它们的导通电压与普通二极管有很大不同。但是,它们仍然具有耗尽层和电容。为了获得额外加分,请和测量普通二极管一样,测量ADALM2000模拟器套件中的红色、黄色和绿色LED。在测试设置中插入LED,确保极性正确,以便实现反向偏置。如果操作有误,LED有时可能会亮起。

问题

  使用步骤1中的公式、C1的值以及图4中的图,计算示波器输入电容Cm。

  您可以在学子专区博客上找到问题答案。

作者简介

Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院(RPI),获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来,他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品,并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年,他从全职工作转型,并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问,为“主动学习计划”撰稿。2016年,他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师,从事ADI教学项目工作,同时为实验室电路®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生,拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

 

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