СПОСОБЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

 

Снятие ВАХ диодапри помощи вольтметра и амперметра

 

На рисунке 4 изображена принципиальная схема, позволяющая исследовать ВАХ p-n-перехода, функции которого выполняет полупроводниковый диод Д. Показанное на схеме включение реостатов  и  позволяет осуществлять плавную регулировку напряжения на электродах диода в большом диапазоне значений. Двухполюсной ключ К предназначен для изменения полярности питающего цепь напряжения. Так как диод представляет собой последовательное соединение полупроводника и запирающего слоя, а вольтметр фиксирует полное падение напряжения (не только на запирающем слое), то выражение (2), вообще говоря, следует записывать так:

,     (3)

где  – напряжение на электродах диода,  – падение напряжения на слое полупроводника сопротивлением R. Согласно (2) и (3) при  (в прямом направлении) и при больших значениях  величина ,  и формулы могут быть переписаны в виде:

,      (4)

то есть с ростом напряжения ток возрастает экспоненциально.

При ещё большем напряжении, когда падение напряжения на слое полупроводника становится соизмеримым с падением напряжения на электродах диода, следует писать:

, (5)

Дифференцируя выражение (3) по  и исключая из производной  напряжение , можно убедиться, что при большом прямом токе характеристика становится линейной и дифференциальное сопротивление диода устремляется к постоянной величине:

. (6)

Если сопротивление запирающего слоя много больше сопротивления полупроводника, то, пренебрегая величиной  и логарифмируя выражение (2), получаем линеаризованную ВАХ диода:

,       (7)

которая позволяет экспериментально определить величину коэффициента  (ток насыщения при этом определяется по ВАХ, показанной на рисунке 3).

 

Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 4. Реостаты  и  предназначены для плавной регулировки напряжения на электродах диода Д в широких пределах. Ключ К предназначен для изменения полярности напряжения. Снятие ВАХ рекомендуется начинать с максимальной величины обратного тока  (правое по схеме положение ключа К) в сторону уменьшения. По достижении =0 следует при помощи переключателя К изменить полярность напряжения и продолжать снимать зависимость  вплоть до величины .

В ходе работы при пользовании ключом следует помнить о соблюдении полярности измерительных приборов.

 

Снятие ВАХ диодапри помощи осциллографа

 

Схема экспериментальной установки показана на рисунке 5. Питание цепи осуществляется от ЛАТРа через понижающий трансформатор Тр. На электродах диода действует переменное напряжение, которое подаётся на горизонтально отклоняющие пластины электронного осциллографа ЭО. На вертикально отклоняющие пластины осциллографа подаётся напряжение с резистора R. Поскольку это напряжение пропорционально силе тока в цепи, то вертикальное отклонение электронного луча осциллографа позволяет измерять силу тока, соответствующую разности потенциалов на электродах диода (см. лабораторную работу «Изучение электронного осциллографа»).

 

Снятие ВАХ диодапри помощи операционного усилителя

 

При измерении силы тока посредством амперметра последний вносит в цепь некоторое дополнительное сопротивление (внутреннее сопротивление амперметра), что приводит к изменению режима работы цепи и, следовательно, к возникновению систематической погрешности измерений. Избежать этого можно, используя при измерении силы тока операционный усилитель с бесконечно малым внутренним сопротивлением.

Операционный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока с большим (более ) коэффициентам усиления, который схемах с обратной связью может выполнять математические операции (сложение, умножение, интегрирование и пр.) над напряжением, подаваемым на его вход. На рисунке 6 показан традиционный способ включения операционного усилителя DA для измерения тока. Поскольку потенциалы точек a и b практически одинаковы, то падения напряжения на участке ab не возникает и режим работы цепи не нарушается. Измеряемый ток  равен току I через резистор R обратной связи, что позволяет, зная величину этого сопротивления и измерив напряжение на выходе операционного усилителя, можно определить ток в изучаемой цепи:

.

Схема экспериментальной установки по изучению ВАХ p-n-перехода показана на рисунке 7. В качестве сопротивления обратной связи здесь используется сопротивление p-n-перехода, функции которого выполняет полупроводниковый диод VD. При снятии прямой ветви ВАХ в цепь при помощи ключа К включается резистор , а при снятии обратной ветви – резистор  (  и полярность диода меняется на обратную).

Поскольку потенциалы точек a и b равны нулю, то напряжение U на диоде VD равно напряжению на выходе операционного усилителя. Ток через диод равен току через последовательно включённый резистор  или , так как входная цепь операционного усилителя тока не потребляет. Согласно сказанному выше, ток I через диод VD можно определить, измерив напряжение U, подаваемое на резисторы  или  с потенциометра R по формуле:

,

где  при снятии прямой ветви ВАХ и  - при снятии обратной ветви.

 

Снятие ВАХ стабилитрона

 

Снятие ВАХ стабилитрона может быть осуществлено аналогично описанному для диода с учётом иной полярности включения и крутизной ветвей характеристики. Однако на практике обычно оказывается достаточным точно знать величину напряжения стабилизации стабилитрона . Остальные его предельные параметры (минимальный и максимальный токи стабилизации,максимально допустимые прямое и обратное напряжения) берутся из справочников. Определить величину напряжения стабилизации конкретного стабилитрона можно при помощи схемы, показанной на рисунке …. Работает она аналогично рассмотренной выше. Плавно изменяя напряжение на электродах стабилитрона, следят за показаниями вольтметра, которые сначала возрастают, а затем остаются неизменными. Это напряжение и есть напряжение стабилизации.

 

Снятие статических характеристик транзистора

 

Принципиальная схема простейшего устройства для снятия входных и выходных характеристик транзистора показана на рисунке …. Резисторы  и  предназначены для плавной регулировки напряжения на базе транзистора, а резисторы  и  обеспечивают возможность грубой и точной регулировки напряжения между коллектором и эмиттером. Порядок работы со схемой следующий:

1. При разомкнутой входной цепи устанавливают напряжение на коллекторе = -8 В и измеряют начальный обратный ток коллектора .

2. Устанавливают значение = 0 В и, изменяя напряжение между базой и эмиттером  от нуля до 250 мВ с шагом 50 мВ, измеряют ток базы .

3. Повторяют измерения при напряжениях = -5 В и = -10 В.

4. По полученным данным строят три входные статические характеристики  транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером. Результаты измерений удобно заносить в следующую таблицу:

 

№	= 0 В		= -5 В		= -10 В
	, мВ	, мкА	, мВ	, мкА	, мВ	, мкА
1
2
3
…

 

5. Устанавливают ток базы = 50 мкА и, изменяя напряжение на коллекторе  от нуля до –12 В с шагом 1 В, измеряют ток коллектора.

6. Повторяют измерения при токах базы = 100 мкА и = 150 мкА.

7. Результаты измерений заносят в нижеприводимую таблицу, по которой строят три выходные характеристики  транзистора .

 

№	= 50 мкА		= 100 мкА		= 150 мкА
	, В	, мА	, В	, мА	, В	, мА
1
2
3
…

ВЫПРЯМЛЕНИЕ ТОКА

 

Способность диода проводить электрический ток только в одном направлении может быть использована при выпрямлении переменного тока. Наибольшее распространение на практике получили две схемы выпрямления переменного тока: однополупериодная и двухполупериодная (или мостовая).

На рисунке 6 а показана схема однополупериодного выпрямителя, который представляет собой всего один диод, включённый последовательно с нагрузкой . В течение второй половины периода на аноде диода действует положительный полупериод напряжения, а на катоде – отрицательный. При этом диод открывается и через него, а значит и через нагрузку , протекает ток. В течение второй половины периода, когда на аноде диода действует отрицательный полупериод напряжения, а на катоде – положительный, диод закрыт и ток через нагрузку практически не течёт (при этом через нагрузку протекает обратный ток диода, значительно меньший прямого). Таким образом диод, отсекая отрицательные полупериоды переменного тока, пропускает через нагрузку пульсирующий ток одного направления (в течение положительных полупериодов переменного напряжения). На рисунке 7 показаны графики временной зависимости переменного тока и выпрямленного (пульсирующего) тока, протекающего через нагрузку. Однополупериодный выпрямитель обеспечивает частоту пульсаций тока, равной частоте переменного тока.

Мостовая схема выпрямления тока представляет собой четыре диода, соединённых по схеме, показанной на рисунке 6 б. Принцип действия мостового выпрямителя состоит в следующем. В течение первой половины периода переменного напряжения открытыми оказываются только диоды Д1 и Д3. При этом ток протекает через диод Д1, нагрузку и диод Д3 (сплошные стрелки на рисунке). В течение второй половины периода открытыми оказываются диоды Д2 и Д4, а диоды Д1 и Д3 – закрыты. Теперь ток протекает через диод Д2, нагрузку и диод Д4 (пунктирные стрелки на рисунке). В результате через нагрузку протекает ток в течение обоих полупериодов переменного напряжения. При этом направление тока не меняется. Следовательно через нагрузку течёт постоянный ток, который так же является пульсирующим, но частота пульсаций в этом случае вдвое больше частоты переменного тока. На рисунке 7 графически показан результат работы мостового выпрямителя в сравнении с работой однополупериодного выпрямителя.

Напряжение на выходе любого из рассмотренных выпрямителей изменяется со временем аналогичным образом (в соответствии с законом Ома). Но таким (пульсирующим) напряжением можно питать далеко не любую нагрузки. Например, лампочку накаливания можно, а радиоприёмник – нет, т. к. в этом случае в динамике будет прослушиваться низкочастотный гул частотой 50 Гц. Сгладить пульсации выпрямленного напряжения можно при помощи сглаживающего фильтра, роль которого обычно выполняет электролитический конденсатор достаточно большой ёмкости (порядка 1000 мкФ).

Для этого необходимо параллельно нагрузке подключить электролитический конденсатор как показано на рисунке 8. Когда напряжение на нагрузке возрастает (первая четверть полупериода), конденсатор заряжается, а когда напряжение начинает убывать, конденсатор разряжается на нагрузку по экспоненциальному закону, тем самым, поддерживая в нагрузке ток. Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше его постоянная времени и тем, следовательно, медленнее конденсатор разряжается, что приводит к уменьшению глубины пульсаций выпрямленного тока. При достаточно большой ёмкости конденсатора пульсации практически исчезают. В этом случае на выходе выпрямителя действует сглаженное напряжение, равное амплитуде пульсирующего напряжения. При измерении пульсирующего напряжения следует помнить, что вольтметр фиксирует действующее значение напряжения , которое связано с амплитудным напряжением  соотношением:

.

Поэтому, как следует из выше сказанного, показания вольтметра при измерении сглаженного напряжения окажутся в  больше показаний прибора при измерении соответствующего пульсирующего напряжения.

 

СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА

 

Суть эксперимента по изучению стабилизирующих свойств полупроводникового стабилитрона состоит в измерении напряжения, действующего на электродах стабилитрона при принудительном изменении величины питающего схему напряжения. Схема соответствующей установки показана на рисунке 9. Исследуемый стабилитрон VD2 и резисторы   и  здесь выполняют те же функции, что и в схеме, показанной на рисунке 5. Полупроводниковый диод VD1 является разделительным элементом между источником питающего (нестабилизированного, измеряемого вольтметром V1) напряжения и напряжением на нагрузке (стабилизированного, измеряемого вольтметром V2). Реостат R предназначен для плавной регулировки питающего напряжения.

Выполнение задания сводится к снятию зависимости

,

где  - величина питающего схему напряжения,  - величина стабилизированного напряжения (на электродах стабилитрона).

Результаты измерений целесообразно представлять графически как зависимость относительного изменения напряжения  на электродах стабилитрона от напряжения . Величина , очевидно, определяется выражением:

.