實驗：PN結電容與電壓的關係
發布時間：2019-11-25 責任編輯：lina
【導讀】增加PN結上的反向偏置電壓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。
本實驗活動的目的是測量反向偏置PN結的容值與電壓的關係。
背景知識
PN結電容
增加PN結上的反向偏置電壓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關係。PN結電容分為勢壘電容和擴散電容兩部分。在反向偏置條件下，不會發生自由載流子注入；因此，擴散電容等於零。對於反向和小於二極管開啟電壓（矽芯片為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。結電容與施加的偏置電壓之間的依賴關係被稱為結的電容-電壓(CV)特性。在本次實驗中，您將測量各個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 主動學習模塊
無焊麵包板
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W1一起連接到麵包板上的同一行。將示波器通道2+插入麵包板,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。由於沒有屏蔽飛線，盡量讓W1和1+兩條連接線遠離2+連接線。
圖2.用於測量Cm的步驟1設置
硬件設置
使用Scopy軟件中的網絡分析儀工具獲取增益（衰減）與頻率（5 kHz至10 MHz）的關係圖。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偏置設置為1 V，幅度設置為200 mV。測量一個簡單的實際電容時，偏置值並不重要，但在後續步驟中測量二極管時，偏置值將會用作反向偏置電壓。縱坐標範圍設置為+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，應該存在一個相對較為平坦的區域，此時，C1、Cm容性分壓器的阻抗要遠低於R1。
圖3.用於測量Cm的步驟1設置
步驟1
圖4.Scopy屏幕截圖。
我們選擇讓C1遠大於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結的電容時，我們需要用到這個值。
步驟2
現在，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.用於測量二極管電容的步驟2設置。
硬件設置
圖6.用於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剩餘的部分，填入各偏置電壓值的GHF值，然後使用Cm值和步驟1中的公式來計算Cdiode的值。
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，然後重複對第一個二極管執行的掃描步驟。將測量數據和計算得出的Cdiode值填入另一個表。與1N4001二極管的值相比，1N3064的值有何不同？您應該附上您測量的各二極管的電容與反向偏置電壓圖表。
然後，使用ADALM2000套件中的一個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1N914二極管的電容應該遠小於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
發光二極管或LED也是PNjie。tamenshiyouguiyiwaidecailiaozhichengde，suoyitamendedaotongdianyayuputongerjiguanyouhendabutong。danshi，tamenrengranjuyouhaojincenghedianrong。weilehuodeewaijiafen，qingheceliangputongerjiguanyiyang，celiangADALM2000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有時可能會亮起。
特別推薦
- 噪聲中提取真值！瑞盟科技推出MSA2240電流檢測芯片賦能多元高端測量場景
- 10MHz高頻運行！氮矽科技發布集成驅動GaN芯片，助力電源能效再攀新高
- 失真度僅0.002%！力芯微推出超低內阻、超低失真4PST模擬開關
- 一“芯”雙電！聖邦微電子發布雙輸出電源芯片，簡化AFE與音頻設計
- 一機適配萬端：金升陽推出1200W可編程電源，賦能高端裝備製造
技術文章更多>>
- 貿澤EIT係列新一期，探索AI如何重塑日常科技與用戶體驗
- 算力爆發遇上電源革新，大聯大世平集團攜手晶豐明源線上研討會解鎖應用落地
- 創新不止，創芯不已：第六屆ICDIA創芯展8月南京盛大啟幕！
- AI時代，為什麼存儲基礎設施的可靠性決定數據中心的經濟效益
- 矽典微ONELAB開發係列：為毫米波算法開發者打造的全棧工具鏈
技術白皮書下載更多>>
- 車規與基於V2X的車輛協同主動避撞技術展望
- 數字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰
- 汽車模塊拋負載的解決方案
- 車用連接器的安全創新應用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
Future
GFIVE
GPS
GPU
Harting
HDMI
HDMI連接器
HD監控
HID燈
I/O處理器
IC
IC插座
IDT
IGBT
in-cell
Intersil
IP監控
iWatt
Keithley
Kemet
Knowles
Lattice
LCD
LCD模組
LCR測試儀
lc振蕩器
Lecroy
LED
LED保護元件
LED背光
