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1、6物理实验第23卷第8期PN结对交流信号相位的影响茅卫红侯清润陈宜保张慧云陈宏何元金(清华大学物理系北京100084)摘要:交流小信号被PN结和电容分压,且电容值远远大于PN结电容值时,大电容两端的电压是很小的交变电压,该信号的相位与PN结的内阻(正向)有关L把PN结当做一个电容和一个电阻并联,可定性解释这种关系L关键词:PN结;相位差;交变电压中图分类号:O475文献标识码:A文章编号:100524642(2003)0820006203InfluenceofPNjunctiononphasechangeofalternatingcurrentsignalMAOWei2hongHOUQin
2、g2runCHENYi2baoZHANGHui2yunCHENHongHEYuan2jin(DepartmentofPhysics,TsinghuaUniversity,Beijing,100084)Abstract:ThevoltageofACsignalisdividedintothevoltagesofPNjunctionandcapacitor,andwhenthecapacitanceofthecapacitorisfarlargerthanthatofthePNjunction,theoutputvoltageofthecapacitorisverysmallanditspha
3、seisrelatedtotheforwardresistanceofthePNjunction.IfthePNjunctionisconsideredasparallelconnectionofacapacitorandaresistance,theabove2mentionedphenomenoncanbeinterpretedqualitatively.Keywords:PNjunction;phasedifference;ACvoltage1引言2实验原理用电容2电压法测量PN结的电容,可得PN结是由P型和N型半导体“接触”形成PN结轻掺杂一侧杂质的浓度,具有简单快速,的,在结的界
4、面处形成势垒区,也称空间电荷又不破坏样品的特点,是半导体器件的设计和区,如图1所示L制造过程中常用的测量方法之一L但是,PN结PN结外加电压时,势垒区的空间电荷数又不能完全看作一个电容,PN结加正向电压量将随外加电压变化,与电容器的作用相同,这时会导通,有一定电阻,只是在反向时电阻可视为无穷大L由于PN结的以上特性,使得在用锁相放大器测PN结电容时,交流信号的相位发生了变化L研究这种变化与PN结电阻(正向)的关系,有助于加深对PN结特性的了解L图1PN结示意图物理实验第23卷第8期7种由势垒区电荷变化引起的电容称势垒电容,且的变化而变化L由于PN结正向导通,有内阻,dQT反向不导通,电阻可
5、视为无穷大,导通时可以近CT=(1)dV似把PN结看做电容和电阻并联,如图2所示另外,PN加正向偏压时,P区和N区的空的Cx和R并联Z图2中C0≈4750pF,是标准穴和电子各自向对方扩散,并能在对方(扩散的大电容,与PN结串联L区)形成一定的电荷积累,积累电荷的多少也随外加电压而变化,称为扩散电容,且dQdCd=(2)dV一般说来,在反向偏压或小的正向偏压下,PN结以势垒电容为主L只有在大的正向偏压下才以扩散电容为主LPN结交界面的空间电荷区在平衡时正、负电荷总量相等,有一定的势图2PN结等效图垒宽度和一个内建电场L当外加正向电压时,势为了测量C0两端的电压Vi(t)(是一个很垒宽度变窄
6、,电容变大;外加反向偏压时,势垒小的交变信号)的相位,将该信号接到锁相放大宽度增大,电容变小L所以,PN结的电容与一器的输入端进行测量,实际测量电路如图3所般电容不同,不是恒定不变的,而且随外加电压示Z图3测量电路为了测量PN结势垒电容Cx随外加电压号的频率;Cx为PN结电容;r是复数的模Z的变化,要在PN结上加一定的反向直流偏压Z当C0mCx时,式(4)简化为在该直流电压上再叠加一个微小的交流电压信XRC0tan$U≈-22(5)号V(t),并将PN结串联一个很大的电容C0,1+XRC0Cx则C0两端的电压为当用一个纯电容Cx代替PN结时11CxVi(t)=V(t)=Vi(t)=V(t)
7、(6)jXC01RC0+jXC01+jXRCx比较(3)式和(6)式可知,PN结的阻值R221+XRCx(C0+Cx)-jXRC0V(t)2=可以使得Vi(t)信号的相位减小,而且R越小,1+XR(C0+Cx)j$U(3)相位减小得越大ZV(t)re其中3实验结果XRC0tan$U=-22(4)1+XRCx(C0+Cx)按图3接好测量电路,交流电压V(t)=式中:R为PN结电阻(正向);X=2Pf,f为信40mV,频率f
