2 Структурная схема стенда
В ходе разработки стенда было проанализировано построение измерительных установок и схем измерения, приведённые в методической литературе [1-4]. Так же была произведена проверка наличия необходимых измерительных приборов и оборудования в лаборатории кафедры. Исходя из полученных данных, за рабочий вариант была принята схема измерений, приведённая в [1], как наиболее простая в реализации.
Разрабатываемый стенд предназначается для измерения характеристик полупроводниковых приборов зависящих от освещённости и температуры. Это обуславливает необходимость свето- и термоизоляции образца от окружающих посторонних воздействий.
Ввиду вышеизложенных требований структурная схема стенда приобретает вид, показанный в приложении А. Исследуемый образец (фоторезистор) и источники света (малогабаритные лампы накаливания) помещёны в термостат, который выполняет также и функцию светозащитного кожуха.
Блок управления и коммутации – это панель из изоляционного материала с расположенными на ней регуляторами, кнопочными переключателями режимов и гнёздами для подключения контрольных приборов, размещённая на передней панели стенда.
3 Разработка принципиальной схемы
Вольт–амперной характеристикой фоторезистора называется зависимость темнового тока, светового тока и фототока от приложенного к фоторезистору напряжения при неизменной величине светового потока падающего на фоторезистор.
При изучении вольт – амперных характеристик фоторезистора обычно получают вольт–амперные характеристики в темноте и при различных освещённостях поверхности светочувствительного слоя фоторезистора. Освещение фоторезистора меняют путём изменения расстояния между фоторезистором и осветительной лампой, а измеряют люксметром, расположенным на одном уровне с исследуемым фоторезистором.
По причине отсутствия люксметра среди измерительных приборов имеющихся в лаборатории кафедры было принято решение изменять освещённость не изменением расстояния между фоторезистором и осветительной лампой, а изменением напряжения подаваемого на нить лампы накаливания при неизменном расстоянии. Ввиду значительной величины тока потребления лампы (порядка 100 мА) регулировка напряжения непосредственно переменным резистором невозможна. Поэтому для регулировки в схеме использован интегральный регулируемый стабилизатор напряжения на микросхеме К142ЕН12, позволяющий производить плавную регулировку напряжения. Освещённость определяется по углу поворота переменного резистора, опорное напряжение с которого, подаётся на управляющий вход микросхемы.
Постоянная времени спада фототока τ (релаксационное время жизни носителей заряда) – время, в течение которого фототок уменьшается на 63% после прекращения освещения фоторезистора. Для определения величины τ методом затухания фотопроводимости исследуемый образец или фоторезистор помещают на подставку из изоляционного материала и изолируют от постороннего воздействия света. Освещая исследуемый фоторезистор прямоугольными импульсами света, наблюдают на осциллографе экспоненциальное изменение (уменьшение) напряжение со временем затемнения на последовательно включённом с фоторезистором сопротивлении. Согласно [1] частота модуляции светового потока изменяется механическим прерывателем.
Из – за невозможности реализации механического прерывателя было решено использовать в качестве осветительного элемента мигающий светодиод повышенной яркости импортного производства имеющий частоту вспышек, при напряжении питания 4.5 В, около 2 Гц.
Температурная зависимость параметров фоторезисторов определяется влиянием температуры на фоточувствительность полупроводников. В связи с тем, что чувствительность фоторезисторов определяется фототоком, температурная зависимость ее по характеру будет повторять зависимость фототока от температуры. Поэтому на практике под температурной зависимостью фоторезисторов подразумевают влияние температуры на фототок или световой ток. Фототок фоторезистора с ростом температуры уменьшается.
Ввиду необходимости контроля температуры фоторезистора при проведении данного опыта и сложности изготовления или приобретения термометра – в качестве нагревательного элемента используется резистор типа МЛТ работающий при максимально допустимой рассеиваемой мощности вызывающей его нагрев. Резистор имеет непосредственный тепловой контакт, с исследуемым фоторезистором обеспечиваемый плотным прижатием деталей с нанесением термопасты. Изменение температуры резистора обеспечивается подачей на него напряжения с регулируемого источника реализованного на микросхеме К142ЕН12. Поскольку для питания стенда используется сравнительно низкое напряжение (15 В) применён низкоомный резистор, для обеспечения диапазона нагрева которого требуется значительный ток (порядка 500 мА), что соответствует максимально допустимому току нагрузки микросхемы и обуславливает использование радиатора рекомендованной в паспорте микросхемы площади. Температура определяется по углу поворота переменного резистора, опорное напряжение с которого, подаётся на управляющий вход микросхемы.
Учитывая всё вышеизложенное, принципиальная схема измерительной установки приобретает вид, показанный в приложении Б.