В статье приводится обобщенная структурная схема измерителя вольт-амперных характеристик автоматизированной обучающей системы. Представляются реализуемые схемы измерения на примере биполярного транзистора, а также решения по релейной коммутации схем измерений и образцов.
Ключевые слова: измерения, вольт-амперные характеристики, полупроводниковые приборы, автоматизированная обучающая система.
Для практической реализации идей и подходов, положенных в основу построения автоматизированной обучающей системы (АОС), выбран проект АОС для исследований свойств и характеристик полупроводниковых приборов и структур [1]. С учетом охвата более широкого круга тем обучения аппаратное обеспечение такой системы должно позволять проводить измерения основных характеристик полупроводниковых приборов как можно более широкого набора типов. В первую очередь это, конечно, вольтамперные характеристики (ВАХ) двухполюсников и трехполюсников [2]. Преобразователи, входящие в состав аппаратного обеспечения измерительной части АОС, должны включать управляемые источники напряжения и тока для формирования воздействия на объект исследований и преобразователи сигналов отклика на заданное воздействие. Для аналого-цифрового преобразования сигналов должны использоваться аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи, обеспечивающие требуемую точность преобразования. Для сопряжения автоматизированных средств измерений с персональным компьютером (ПК) целесообразно использовать USB интерфейс, позволяющий установить АОС практически на любом ПК.
Обобщенная структурная схема измерителя ВАХ полупроводниковых приборов, поясняющая принцип измерений, положенный в основу разработки аппаратной части АОС представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема измерителя ВАХ
Объект измерений (ОИ) представляет собой находящийся в термокамере двухполюсник или трехполюсник. Источник напряжения (ИН) предназначен для подачи напряжения на электроды двухполюсников и электроды трехполюсников, соответствующие коллектору и эмиттеру биполярных транзисторов, стоку и истоку полевых транзисторов. Источник напряжения/тока (ИН/Т) формирует управляющее напряжение или ток для измерений ВАХ трехполюсников в зависимости от того, какой управляющий сигнал требуется. Для измерений ВАХ двухполюсников ИН/Т не используется. Преобразователь ток-напряжение (ПТН) является устройством с нулевым входным сопротивлением и предназначен для преобразования тока, протекающего через ОИ, в пропорциональное напряжение. Контроллер (К) — это микропроцессорный модуль с набором преобразователей аналогового и цифрового ввода/вывода. Источники и преобразователь ток-напряжение являются программируемыми и управляемыми от контроллера устройствами. Для упрощения структурной схемы на ней не показаны цифровые и аналоговые сигналы управления этими устройствами от контроллера. На схеме представлены только связи, поясняющие то, что в контроллер поступает информация о напряжении на приборе и его управляющем электроде, а также информация о протекающем через него токе. Для управления измерениями и обработки измерительных данных используется ПК, который подключается к контроллеру через интерфейс USB.
На рисунках 2, 3 представлены схемы измерений различных ВАХ на примере биполярного транзистора, которые позволяет реализовать представленная структурная схема.
Рис. 2. Измерение входных и выходных ВАХ биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
Аналогично реализуется измерение входных и выходных ВАХ биполярного транзистора в схеме с общей базой.
Рис. 3. Измерение ВАХ эмиттерного перехода биполярного транзистора
Таким же образом реализуется измерение ВАХ коллекторного перехода биполярного транзистора.
Подключение исследуемого прибора в измерительную цепь по требуемой схеме осуществляется с помощью программно управляемой релейной коммутации (рисунок 4).
Рис. 4. Релейная коммутация схемы измерений ВАХ
Для автоматического подключения в измерительную цепь различных образцов исследуемых полупроводниковых приборов используется также программно управляемая релейная коммутация (рисунок 5). Это позволяет одновременно измерять ВАХ различных образцов, находящихся в термокамере при высокой температуре.
Рис. 5. Релейная коммутация исследуемых образцов
Представленный метод измерений ВАХ обладает высокой универсальностью. Реализация автоматизированного исследования набора разнообразных полупроводниковых приборов делает разрабатываемый проект в рамках АОС перспективным на рынке учебного оборудования.
Литература:
- Волчихин В. И., Медведев С. П., Вареник Ю. А., Метальников А. М., Карпанин О. В., Печерская Р. М. Полупроводниковые структуры и приборы (Автоматизированный лабораторный практикум): Учеб. пособие под ред. д-ра техн. наук, проф. Р. М. Печерской. Пенза, Изд-во ПГУ 2013 г. — 198 с.
- Глинченко А. С., Егоров Н. М., Комаров В. А., Сарафанов А. В. Исследование параметров и характеристик полупроводниковых приборов с применением интернет-технологий: учебное пособие. — М.: ДМК Пресс, 2008. — 352 с.
