实验:PN结电容与电压的关系

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
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

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。

Equation 1

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
偏置电压 GHF Cdiode
0 V    
1 V    
2 V    
3 V    
4 V    

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

Doug Mercer

Doug Mercer

Doug Mercer 在1977至2009年间一直在ADI公司从事全职工作,最后14年担任ADI公司研究员。ADI公司高速转换器产品系列的30多款标准产品都有他的贡献,AD783就是其中一款。自2009年起,他转而担任ADI公司的兼职顾问研究员,最近主要是作为ADI公司与伦斯勒理工学院的联络人,从事本科生电气工程教育推广和发展方面的工作。

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus [antoniu.miclaus@analog.com]是ADI公司的系统应用工程师,从事ADI学术项目、Circuits from the Lab®嵌入式软件和QA过程管理工作。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡开始在ADI公司工作。

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。