На главную

Опубликовано:

Иноземцев В.А., Симукова С.В.

Особенности измерения емкости p-n перехода

Хорошо известно, что емкость p-n перехода полупроводниковых приборов зависит от величины обратного напряжения. Это свойство p-n перехода используется в варикапах. Варикапы удобны тем, что, подавая на них постоянное напряжение смещения, можно дистанционно и практически безинерционно менять их емкость и тем самым резонансную частоту контура, в который включен варикап. Варикапы применяют для усиления и генерации СВЧ сигналов, перестройки частоты колебательных контуров или автоподстройки частоты.

Для исследования зависимости емкости p-n перехода от величины обратного напряжения мы использовали измеритель  емкости  Е12-1, собрав приборы по схеме, приведенной на рисунке 1. Напряжение U подавалось от источника постоянного напряжения ИПС-1, в качестве вольтметра и амперметра использовались комбинированные цифровые приборы Щ4313.  Измеритель емкости при такой схеме подключения приборов измеряет суммарную емкость последовательно включенных конденсатора C1 и полупроводникового диода VD1. Для уменьшения погрешности измерения емкость конденсатора C1 должна быть много больше емкости исследуемого p-n перехода. Резистор R2 уменьшает влияние резистора  R1 на добротность колебательного контура измерителя емкости. Миллиамперметр мА измеряет силу обратного тока через  p-n переход. Зная величину напряжения, снимаемого с резистора R1, силу обратного тока через  p-n переход и сопротивление резистора R2, можно определить величину обратного напряжения, приложенного к p-n переходу. В ходе проведения эксперимента было обнаружено, что с увеличением обратного напряжения,  снимаемого с резистора R1, обратный ток через  p-n переход уменьшался. Отключив измеритель емкости от конденсатор С1, мы получили стандартную зависимость обратного тока от величины напряжения, приложенного к p-n переходу. Таким образом, было подтверждено влияние измерительного прибора Е12-1 на режим работы электрической цепи с полупроводниковым диодом.

При проведении физического эксперимента всегда необходимо учитывать влияние измерительных приборов на режим работы электрической цепи. Для учета влияния приборов на режим работы электрической цепи необходимо знать принцип их работы. Принцип работы измерителя емкости Е12-1 основан на резонансном методе измерения с индикацией резонанса по нулевым биениям. Понять принцип работы измерителя емкости Е12-1 можно, рассмотрев его структурную схему, приведенную на рисунке 2. Конденсатор, емкость которого нужно измерить, входит в состав колебательного контура генератора высокой частоты 2. Колебания высокой частоты двух генераторов через катодные повторители поступают на смеситель. В смесителе происходит процесс преобразования частоты и на его нагрузке создается напряжение как основных частот генераторов и их гармоник, так и комбинационных составляющих -  суммарных и разностных. Это напряжение подается на фильтр низкой частоты, пропускающий только колебания ниже 4,5 кГц. После фильтра низкой частоты напряжение звуковых частот поступает на усилитель низкой частоты, выходное напряжение которого подводится к индикаторам нулевых биений. Индикаторами нулевых биений являются телефоны и стрелочный измерительный прибор. Подход к нулевым биениям регистрируется в телефонах как понижение частоты звуковых колебаний.

Перед началом измерения выполняют начальную установку частоты генератора высокой частоты 1. Для этого измеряемый конденсатор должен быть отключен от прибора,  все отсчетные шкалы установлены на нулевые деления и генератор высокой частоты 1  подстроечным конденсатором его колебательного контура настраивается по нулевым биениям на частоту генератора высокой частоты 2. при подключении измеряемого конденсатора частота генерации генератора высокой частоты 2 уменьшается. Нулевые биения в индикаторе восстанавливаются изменением настройки контура генератора высокой частоты 1. Отсчет емкости производится по лимбу образцового переменного конденсатора.

На зажимах измерителя емкости, к которым подключается исследуемый конденсатор, имеется переменное напряжение амплитудой, примерно, 5 вольт. Частота этого напряжения изменяется от 700 до 300 кГц при измерении емкости конденсаторов от 1 до 5000 пФ.

Зависимость емкости p-n перехода от величины обратного напряжения нелинейная. Для получения корректных результатов необходимо величину переменного напряжения, прикладываемого к диоду в процессе измерения его емкости выбирать небольшой (амплитуда переменного напряжения должна быть много меньше величины постоянного обратного напряжения, прикладываемого к диоду).  Выполнить эти требования при использовании прибора Е12-1 для измерения емкости p-n перехода нельзя.

Существенно уменьшить величину переменного напряжения, прикладываемого при измерении емкости к p-n переходу, можно, собрав приборы  по схемам на рисунках 3 и 4. Емкость p-n перехода зависит от приложенного к нему напряжения, а емкость конденсатора C2 с воздушным диэлектриком не зависит от приложенного напряжения. Для получения высокой добротности колебательного контура катушку индуктивности L1 наматывают проводом лицендрат. От источника переменного напряжения U1 подается напряжение неизменной амплитуды (30-50 мВ) различной частоты в диапазоне до 200 кГц. Резистор R3, катушка индуктивности L1, полупроводниковый диод VD1 и конденсатор C1 образуют фильтр с параллельным колебательным контуром. Для определения максимального значения напряжения на выходе фильтра в зависимости от частоты использовался вольтметр В3-38. Резистор R4 необходим для уменьшения влияния входной емкости электронного вольтметра В3-38 на резонансную частоту контура, образованного катушкой индуктивности L1, конденсатором С1 и p-n переходом диода VD1. Изменяя частоту переменного напряжения, определяют резонансную частоту этого контура, Затем вместо диода VD1 подключают конденсатор переменной емкости C2 с воздушным диэлектриком, на генераторе не изменяют полученное ранее значение резонансной частоты и колебательный контур L1C1C2 настраивают конденсатором С2 на резонансную частоту (рис. 4). После этого, не вращая ротор конденсатора переменной емкости, измеряют  его  емкость с  помощью  измерителя  емкости  Е12-1.  Полученное значение емкости конденсатора и будет значением емкости p-n перехода при заданном значении обратного напряжения. 

Для удобства проведения эксперимента приборы собирают по схеме, приведенной на рисунке 5. Переключатель SA1 позволяет включить в колебательный контур полупроводниковый диод VD1 или конденсатор переменной емкостиC2. Переключатель SA2 необходим для подключения собранного устройства к измерителю емкости  Е12-1, или для включения катушки индуктивности L1 в колебательный контур. При подключенном измерителе емкости источник переменного напряжения U1 и электронный вольтметр В3-38 отключают.

На рисунке 6 приведены результаты измерения емкости p–n перехода база-коллектор транзистора КТ816Б при различных значениях обратного напряжения. Точки соответствуют измерению емкости p–n перехода непосредственно прибором Е12-1, а плюсики – включению  p–n перехода в колебательный контур (рис. 3). При измерении емкости p–n перехода непосредственно прибором Е12-1 (рис. 1)  нельзя точно указать, какому значению обратного напряжения соответствует данное значение емкости  p–n перехода.