2.3.1.5. Варикапы

Как видно из рис.7 p-n переход можно рассматривать как конденсатор, "обкладками" которого являются области по обеим сторонам границы, а "изолятором" является область пространственного заряда (поскольку в ней мала концентрация свободных носителей, проводимость ее, очевидно, очень мала). При увеличении обратного напряжения область пространственного заряда расширяется (рис. 7), и это можно представить как увеличение расстояния между "обкладками". Следовательно, емкость такого "конденсатора" будет зависеть от приложенного обратного напряжения, и, измеряя ее, можно судить о том, как изменяется толщина перехода в зависимости от обратного напряжения. Это явление нашло практическое применение, на его основе создали варикапы -полупроводниковые диоды, предназначенные для использования в качестве элемента с электрически управляемой ёмкостью. Варикапы широко используют в схемах с автоматической подстройкой частоты, амплитудной и частотной модуляции и т.д. Кроме перечисленных выше параметров, в паспортных данных диодов обязательно приводятся предельные характеристики, коэффициенты, определяющие температурную нестабильность, емкость р-n перехода, а также частотные границы. На этих характеристиках мы не останавливаемся подробно, т.к. это не входит в задачу наших измерений.

2.3.2. Методика измерений и обработка результатов.

2.3.2.1. Техника безопасности

Правила техники безопасного труда полностью соответствуют "Инструкции Ф-19 на безопасное выполнение работ в электрической лаборатории общего физического практикума".

2.3.2.2. Порядок выполнения работы и условия эксперимента

Рис. 14.Схема для измерений характеристик силовых диодов.

Задание I. Изучение германиевого и кремниевого выпрямителей. В данном задании предлагается измерить вольт - амперную характеристику двух диодов (кремниевого и германиевого). Электрическая схема собрана (рис, 14). Здесь УИП-2 и ВСА-5К - источники питания диода в обратном и прямом направлениях соответственно.

Обратите внимание на различное расположение амперметра и вольтметра при снятии характеристик в прямом и обратном направлениях. Принимая во внимание, что сопротивление диода в прямом направлении мало, а в обратном направлении велико, объясните, почему при обратном направлении правильнее измерять суммарное напряжение диода и амперметра, а в прямом напряжении только напряжение диода.

Обратите внимание также на разные пределы измерений измерительных приборов в прямом и обратном направлениях. Обработка результатов эксперимента.

Построить на одном графике характеристики германиевого и кремниевого диодов в прямом и обратном направлениях. Сравнить характеристики двух типов диодов, обсудить, при каких напряжениях эти диоды можно использовать как выпрямляющее устройство. Представить, как будут выглядеть эти характеристики, если взять одинаковый масштаб в прямом и обратном направлениях. Сравнить контактные разности потенциалов р-n переходов двух диодов. Обсудить, чем обусловлено различие вольт - амперных характеристик в обратном направлении.

Задание 2. Измерить вольт - амперную характеристику стабилитрона в обратном направлении.

На рис 15 приведена схема для измерения характеристики стабилитрона!

Рис.15.Электрическая схема для измерения характеристики стабилитрона.

УИП-2 - источник питания с регулятором напряжения;

мА - миллиамперметр (может быть использован универсальный цифровой прибор В7-27. Перед началом работы установить максимальный редел для измерения тока);

V - вольтметр (может быть использован универсальный прибор Ф480 для измерения постоянного напряжения).

Постепенно увеличивая напряжение до максимального, измерить вольт - амперную характеристику. Более подробно произвести измерения в области стабилизации напряжения.

Обработка результатов эксперимента.

По полученным данным построить график, указать напряжение стабилизации и дифференциальное сопротивление

Задание 3. Измерить характеристику туннельного диода в прямом направлении. Для измерения вольт - амперной характеристики туннельного диода используется схема уравновешенного моста (рис. 16).Здесь плечи моста R1, R2, R3, R4 вместе с милливольтметром подобраны так, чтобы без туннельного диода мост был уравновешен.

Равновесие проверяется по вольтметру mV₂, включенному в диагональ моста. Если равновесие нарушено, то подстроечным сопротивлением R добиваются равновесия, чтобы милливольтметр mV₂ показывал нуль. Далее подсоединяют туннельный диод параллельно милливольтметру mV₁ (для чего нужно вставить его в соответствующие гнезда) и наблюдают по милливольтметру mV₂ напряжение разбаланса моста U_p.

Рис.16. Схема для измерения характеристики туннельного диода в прямом направлении.

Из решений уравнений Кирхгофа для данной схемы можно получить, что напряжение разбаланса прямо пропорционально току через диод I_g

(30)

Таким образом, для снятия вольт - амперной характеристики напряжение на диоде отчитывается непосредственно милливольтметром mV1, а ток через напряжение разбаланса U_р

Электрическая схема (рис.16) собрана на стенде.

Измерить прямую ветвь вольт - амперной характеристики. Для этого

1) уравновесить мост с помощью подстроечного сопротивления R в отсутствие туннельного диода при напряжении 1,5 В, а затем понизить напряжение до нуля;

2) включить в схему туннельный диод; регуляторами "Грубо" и "Плавно" на источнике питания подать некоторое напряжение на диод и измерить напряжение разбаланса U_р. Ток через диод вычисляется по приведенной выше формуле (30) R₁=13 Ом.

Обработка результатов эксперимента

Построить график зависимости I=f(U) и привести основные характеристики: Rg, In, Ib, In/Ib, Un, Ub и Uрр.

Задание 4. Измерить емкость и зависимость толщины р-n перехода от обратного напряжения варикапа.

Принципиально емкость такого конденсатора можно измерить самым простым способом - измеряя емкостное сопротивление. Для этого нужно подать на него малое напряжение с известной частотой и измерить ток. Переменное напряжение должно быть обязательно малым по сравнению с постоянным обратным напряжением, иначе мы не сможем сказать, какому обратному напряжению соответствует измеренная емкость (переменное напряжение, складываясь с постоянным, тоже изменяет емкость).

Поскольку при указанном выше способе измерения всегда есть возможность сделать ошибку за счет обратного тока, то в работе используется другой способ: исследуемый р-n переход включается как добавочная емкость, в колебательный контур генератора высокочастотных колебаний (рис.17) и измеряется частота этих колебаний, которая, естественно, зависит от величины емкости перехода. Известно что резонансная частота колебательного контура равна

(31)

где L - индуктивность, а С - суммарная емкость, подключенная параллельно катушке. Генератор вырабатывает колебания частота которых равна резонансной частоте контура.

В стенде собран такой генератор, причем амплитуда напряжения подаваемого на измеряемую емкость, меньше 0,2.В. Когда к клеммам, измерительной схемы не присоединена никакая емкость, частота генерации определяется индуктивностью и собственными емкостями генератора. Если к клеммам подключить дополнительный конденсатор, то частота уменьшится. Определить неизвестную емкость можно методом за­мещения, т.е. подобрав другой конденсатор известной емкости так, чтобы изменения частоты в обоих случаях были одинаковыми. Электри­ческая схема для выполнения этого задания собрана на стенде (рис .17).

Рис.17. Схема для измерения емкости p-n перехода.

1. Используя несколько конденсаторов известной емкости, снимите зависимость частоты от емкости. Отсчет ведите от частоты от емкости. Отсчет видите от частоты, соответствующей отсутствию конденсатора на клеммах.

2. Подключите к клеммам исследуемый диод и снимите зависимость частоты генератора от обратного напряжения на переходе. Удобнее снимать эту зависимость при уменьшении обратного напряжения, а не при увеличении.

Обработка результатов эксперимента

1. Постройте градуировочный график, т.е. график зависимости частоты контура от емкости добавочного конденсатора.

2. С помощью градуировочного графика по частоте контура с варикапом определите емкость р-n перехода. Постройте график зависимости емкости p-n перехода от величины обратного напряжения.

3. Считая толщину p-n перехода d как расстояние между пластинами плоского конденсатора , постройте график зависимости и сделайте вывод, согласуется ли эта зависимость с теоретическими представлениями о распределении зарядов в переходе и их поведении при измерении обратного напряжения.

Контрольные вопросы

1. Перечислить известные Вам типы диодов.

2. Объяснить принцип действия выпрямителя.

3. Почему р-n переход имеет емкость и как она зависит от внешнего напряжения?

4. Объяснить принцип действия стабилитрона.

5. Что такое туннельный диод? Объяснить появление максимума на вольт - амперной характеристике.

Литература

1. Овечкин Ю.А. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа,1979

2. Сбавочник по полупроводниковым диодам, транзисторам, интегральным схемам Под ред. Н.Н.Горюнова. 3-е изд., перераб. и доп. М.:Высшая школа, 1972