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内容
实验:PN结电容与电压的关系
2019-11-26 17:15:18
来源:
未知
PN结电容
增加PN结上的反向偏置电压V
J
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C
m
。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
C
m
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、C
m
容性分压器的阻抗要远低于R1。
图3.用于
测量
C
m
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C
stray
,这样可以在计算中忽略C
stray
,但是计算得出的值仍与未知的C
m
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G
HF1
(单位:dB)。在已知G
HF1
和C1的情况下,我们可以使用以下公式计算C
m
。记下C
m
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。
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G
HF
值,然后使用C
m
值和步骤1中的公式来计算C
diode
的值。
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C
diode
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C
diode
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C
stray
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、C
1
的值以及图4中的图,计算
示波器
输入电容C
m
。
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。
关键词:
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