PN 结电容与电压有何关系？通过实验告诉你

geren2014

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 0.6V）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 10kΩ电阻

► 一个 39pF 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

硬件配置
使用 Scopy 软件中的网络分析仪工具获取增益（衰减）与频率（5kHz 至 10MHz）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 1V，幅度设置为 200mV。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+1dB（起点）至–50dB。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(>1MHz)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。

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 1DC 偏置值时增益（衰减）与频率（5kHz 至 10MHz）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 0V 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。