PN 結電容與電壓有何關係？通過實驗告訴你

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

圖 1.PN 結耗盡區。

材料

► ADALM2000 主動學習模塊

► 無焊麵包板

► 一個 10kΩ電阻

► 一個 39pF 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，儘量讓 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

硬件配置
使用 Scopy 軟件中的網絡分析儀工具獲取增益（衰減）與頻率（5kHz 至 10MHz）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 1V，幅度設置為 200mV。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。縱座標範圍設置為+1dB（起點）至–50dB。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。

步驟 2

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 1DC 偏置值時增益（衰減）與頻率（5kHz 至 10MHz）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。

表 1. 電容與電壓數據

圖 7. 偏置為 0V 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 PN 結。它們是由硅以外的材料製成的，所以它們的導通電壓與普通二極管有很大不同。但是，它們仍然具有耗盡層和電容。為了獲得額外加分，請和測量普通二極管一樣，測量 ADALM2000 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。

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關鍵字: 電壓 硬件 結電容