目標
本實驗活動的目的是測量反向偏置PN接面的容值與電壓的關係。
背景知識
PN接面
增加PN接面上的反向偏置電壓 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）。這個耗盡層主要作為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接面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。對於反向和小於二極體開啟電壓（矽晶片為0.6 V）的正偏置電壓，勢壘電容是主要的電容來源。在實際應用中，根據接面面積和摻雜濃度的不同，勢壘電容可以小至零點幾pF， 也可以達到幾百pF。接面與施加的偏置電壓之間的依賴關係被稱為接面的電容-電壓(CV)特性。在本次實驗中，您將測量各個PN接面（二極體）此特性的值，並繪製數值圖。
圖1. PN接面耗盡區。
材料
• ADALM2000 主動學習模組
• 無焊麵包板
• 一個10 kΩ電阻
• 一個39 pF電容
• 一個1N4001二極體
• 一個1N3064二極體
• 一個1N914二極體
• 紅色、黃色和綠色LED
• 一個2N3904 NPN電晶體
• 一個2N3906 PNP電晶體
步驟1
在無焊麵包板上，按照圖2和圖3所示構建測試設定。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。由於沒有隔離飛線，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設定。
硬體設定
使用Scopy軟體中的網路分析儀工具獲得增益（衰減）與頻率（5 kHz至10 MHz）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偏置設定為1 V，幅度設定為200 mV。 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體時，偏置值將會用於反向偏置電壓。縱座標範圍設定為+1 dB（起點）至–50 dB。運行單次掃描，然後將資料匯出到.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，相較於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設定
圖4. Scopy螢幕截圖。
我們選擇讓C1遠大於Cstray，如此可以在計算中忽略 Cstray 但是計算得出的值仍與未知的 Cm。
在試算表程式中打開保存的資料檔案，滾動至接近高頻(>1 MHz)資料的末尾部分，其衰減位準基本是平坦的。記錄幅度值為GHF1（單位：dB）。在已知 GHF1 和C1的情況下，我們可以使用以下公式計算 Cm。記下Cm值，在下一步測量各種二極體PN接面的電容時，我們需要用到這個值。
步驟2
現在，我們將在各種反向偏置條件下，測量ADALM2000模擬套件中各種二極體的電容。在無焊麵包板上，按照圖4和圖5所示建構測試設定。只需要使用D1(1N4001)替換C1。插入二極體，確保極性正確，如此AWG1中的正偏置將使二極體反向偏置。
圖5. 用於測量二極體電容的步驟2設定。
硬體設定
圖6. 用於測量二極體電容的步驟2設定。
使用Scopy軟體中的網路分析儀工具獲得表1中各AWG 1 DC偏置值時增益（衰減）與頻率（5 kHz至10 MHz）的關係圖。將每次掃描的資料匯出到不同的.csv文件。
程式步驟
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. 電容與電壓資料
|
偏置電壓 |
GHF |
Cdiode |
|
0 V |
||
|
1 V |
||
|
2 V |
||
|
3 V |
||
|
4 V |
|
|
圖7. 偏置為0 V時的Scopy螢幕截圖。
使用ADALM2000套件中的1N3064二極體替換1N4001二極體，然後重複對第一個二極體執行的掃描步驟。將測量資料和計算得出的 Cdiode值填入另一個表。相較於1N4001二極體的值，1N3064的值有何不同？您應該附上您測量的各二極體的電容與反向偏置電壓圖表。
然後，使用ADALM2000套件中的一個1N914二極體，替換1N3064二極體。然後，重複您剛對其他二極體執行的相同掃描步驟。將測量資料和計算得出的 Cdiode 值填入另一個表。相較於1N4001和1N3064二極體的值，1N914的值有何不同？
您測量的1N914二極體的電容應該遠小於其他兩個二極體的電容。該值可能非常小，幾乎與 Cstray的值相當。
額外加分的測量
發光二極體或LED也是PN接面。它們是由矽以外的材料製成的，所以其導通電壓與普通二極體具有很大的差異。但是，它們仍然具有耗盡層和電容。為了獲得額外加分，請和測量普通二極體一樣，測量ADALM2000模擬器套件中的紅色、黃色和綠色LED。在測試設定中插入LED，請務必確保極性正確，以便實現反向偏置。如果操作有誤，LED有時可能會亮起。
問題
使用步驟1中的公式、 C1的值以及圖4中的圖，計算示波器輸入電容Cm
答案請參閱 學子專區部落格。
