目标

本实验的目的是测量反向偏置PN结的电容与电压之间的关系。

背景知识

PN结电容

提高PN结上的反向偏置电压VJ会导致结上的电荷重新分布，形成耗尽区或耗尽层(图1中的W)。这个耗尽层充当电容器的两个导电板之间的绝缘体。W层的厚度是施加的电场和掺杂浓度的函数。PN结电容分为势垒电容和扩散电容。在反向偏压条件下，不会发生自由载流子注入；因此，扩散电容等于零。对于小于二极管导通电压(硅片为0.6 V)的反向偏置电压和正偏置电压，隔离栅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，势垒电容可以小到几十分之一pF，也可以小到几百pF。结电容对所施加偏置电压的依赖性称为结电容-电压(CV)特性。在本实验中，您将测量每个PN结(二极管)的这一特性值，并绘制一个数值图。

图一。PN结耗尽区。

材料

ADALM2000主动学习模块

无焊面包板

一个10kω电阻

一个39皮法的电容器

1N4001二极管

1N3064二极管

1N914二极管

红色、黄色和绿色发光二极管

2N3904 NPN晶体管

2N3906 PNP晶体管

第一步

在无焊试验板上，构建如图2和图3所示的测试设置。第一步是使用连接在AWG输出和示波器输入之间的已知电容C1来测量未知电容Cm。两个示波器的负输入1-和2-接地。示波器通道1+输入与AWG1输出W1一起连接到试验板上的同一行。将示波器通道2+插入面包板，并确保它与插入的AWG输出相隔8到10行。将示波器通道2+附近偏向AWG1的线路接地，以便将AWG1和示波器通道2之间任何不必要的杂散耦合降至最低。由于没有屏蔽飞线，尽量让W1和1+电缆远离2+电缆。

图二。步骤1测量Cm的设置

硬件设置

使用Scopy软件中的网络分析仪工具获得增益(衰减)与频率(5 kHz至10 MHz)的关系图。示波器通道1是滤波器输入，示波器通道2是滤波器输出。将AWG偏置设置为1 V，幅度设置为200 mV。在测量简单的实际电容时，偏置值并不重要，但在后续步骤中测量二极管时，偏置值将被用作反向偏置电压。纵坐标范围设置为从+1 dB(起点)到–50db。运行单次扫描，然后将数据导出到. csv文件。你会发现有一个高通特性，就是在很低的频率下有很高的衰减，在这些频率下，电容的阻抗与R1相比非常大。在频率扫描的高频区域，应该有一个相对平坦的区域。此时，C1和Cm电容分压器的阻抗远低于R1。

图3。步骤1测量Cm的设置

第一步

图4。4 .窥镜截图。

我们选择C1远大于Cstray，这样在计算中可以忽略Cstray，但是计算出来的值还是接近未知的Cm。

在电子表格程序中打开保存的数据文件，滚动到高频(> 1 MHz)数据的末尾，其衰减水平基本平坦。记录的幅度值为GHF1(单位:dB)。已知GHF1和C1，我们可以使用以下公式计算Cm。记下Cm值，下一步测量各种二极管PN结电容时需要用到。

第二步

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。在无焊试验板上，构建如图4和图5所示的测试设置。只需要D1(1N4001)来代替C1。插入二极管以确保极性正确，这样AWG1中的正偏置将反向偏置二极管。

图5。测量二极管电容的设置。

硬件设置

图6。测量二极管电容的设置。

使用Scopy软件中的网络分析仪工具获得表1中每个AWG 1 DC偏置值的增益(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的其余部分，填写每个偏置电压值的GHF值，然后使用Cm值和步骤1中的公式计算Cdiode的值。

图7。偏移为0 V时的镜检截图。

用ADALM2000套件中的1N3064二极管替换1N4001二极管，然后对第一个二极管重复扫描步骤。将测量数据和计算的Cdiode值填入另一个表中。1N3064的值和1N4001二极管的值有什么不同？你应该附上你测量的每个二极管的电容和反向偏压的图表。

然后，用ADALM2000套件中的1N914二极管替换1N3064二极管。然后，对其他二极管重复刚才执行的相同扫描步骤。将测量数据和计算的Cdiode值填入另一个表中。1N914的值与1N4001和1N3064二极管的值有什么不同？

1N914二极管的测得电容应比其它两个二极管的电容小得多。值可能很小，几乎相当于Cstray的值。

额外积分的测量

发光二极管或led也是PN结。它们由硅以外的材料制成，因此它们的导通电压与普通二极管有很大不同。然而，它们仍然具有耗尽层和电容。如需额外加分，请像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，以确保反向偏置的极性正确。如果操作错误，LED有时会亮起。