Жартылай өткізгішті аспаптардың сипаттамаларын зерттеуге арналған зертханалық аспапты жобалау

I_Ф = Фⁿ,                                                 (1.11)

Дәрежелік көрсеткіш п энергетикалық сипаттаманың сызықтығын сипаттайды.       п ≈ 1 болғанда, сипаттама сызықты болады; бұл шарт орындалатын мәндер облысы Ф (от Ф_мин до Ф_мах) фотоқабылдағыш сызықтығының динамикалық диапазонын ΔФ  анықтайды. Динамикалық диапазон децибелмен өрнектеледі:

ΔФ = 101g(Ф_мах)/ Ф_мин,                          (1.12)

Спектрдің ұзын толқынды шекарасы "К^ фотоқабылдағышқа түсетін сәулеленудің максималды толқын ұзындығын анықтайды; қысқа толқынды шекара Х_к толқын ұзындығы азайғанда құрылымның пассивті облыстарында сәулеленудің жұтылуының өсуімен шартталған.

Фотоқабылдағыштардың  түрлері: фоторезистор, фотодиодтар, фотоэлементтер, фототранзисторлар, зарядты байланысы бар аспаптар, енетін радияциялы қабылдағыштар және корпускулярлы-түрлендіргішті жартылай өткізгішті аспаптар. Фотодиод оған оптикалық сәулелену әсер еткенде пайда болатын бір жақты фотоөткізгіш қасиеті бар жартылай өткізгішті диод, ол оптикалық сәулеленуді электрлік сигналға түрлендіру үшін қолданылады. Фотодиод әрекеті жартылай өткізгіш өткел облысының жадындағы жарықтың жұтылуына негізделген, соның нәтижесінде жаңа заряд тасымалдаушылар (электронды-кемтікті жұптар) генерацияланады. Жарықтың эффективті жұтылуы қарама-қарсы өткізгіш түрлері бар бір фотоқабылдағыштың облыстарының бөліну шекарасында, екі әртүрлі жартылай өткізгіштің (гетеро өткелді фотодиод) немесе металдың және жартылай өткізгіштің (жазықтықты-барьерлік фотодиод немесе Шоттки барьерлі фотодиод) байланысының жанында жүреді.

1.13 – сурет.  р-n-өткелі бар фотодиоддың құрылымдық схемасы 1- біріккен облыс; 2-диффузионды облыс; 3-жұтылу облысты; Е - электр өрісінің кернеулігі; х- арақашықтық.

 

 

 

1.14 – сурет. Вольт-амперлік сипаттамалар жиыны

 

Фотодиодтың ең кең тараған түрі р-i-n-диод болып табылады, онда жоғарғы омдық і-облыстың қалыңдығы аспаптың тиімді сезгіштігі пен тезәрекеттіктігін қамтамасыз ететіндей етіп таңдалады. Оптикалық сәулеленуді ВЧ сигналмен модулденген жарық дағындай бірнеше мкм етіп детектрлеу үшін нүктелік-байланысты фотодиодтар қолданылады.

 

 

1.15 – сурет.  р-i-n-құрылымды фотодиод

 

 

1.16 – сурет. р-i-n-құрылымды фотодиодтың энергетикалық диаграммасы

1.17 – сурет. Гетероқұрылымды фотодиод; Е₃₁, Е₃₂ – бірінші және екінші жартылай өткізгіштің тыйым салынған аймағының ені;

 Е_п – өткізгіш аймағы түбінің энергиясы; Е_в – валентті аймақтың төбесінің  энергиясы; Е_ф – Ферми деңгейі.

 

1.18–сурет. Шоттки тосқауылы бар фотодиод; а-құрылымы, б-құрылымдағы өрісті тарату.

 

Фототранзисторлар. Транзисторлық құрылымдарды пайдаланатын, фототокты күшейтуге қабілетті фотоқабылдағыш аспаптарды фототразисторлар деп атайды.

 

1.19 – сурет. Фототранзистор құрылысы мен шарт белгісі

Фотоқабылдағыштардың  электрлік моделдері. Статикалық режимдегі фотодиодтың электрлік моделі сурет 6.9 көрсетілген, мұндағы I_н - U_обр = 0,5... 1 В және орта температурасы Т = Т_раб болғандағы қанығу тоғы, I_т.г. – р-n-өткелі облысында генерациялайтын термогенерация тоғы; U_обр – фотодиодқа берілген кері кернеу, I_ф.т. – қараңғы кездегі (егер I_н = 0, және I_т.г. = 0 болса) фотодиод тоғы. Қарастырылап жатқан моделде диодтың VD кері тоғы фотодиодтың жылулық тоғынан кіші деп алынған.

1.20–сурет.  Фотодиодтың электрлік моделі.

 

Фотоқабылдағыш құрылғылардың  маңызды параметрі – сезімталдылығы, яғни қабылдау сапасы берілген, фотоқабылдағышпен тіркеле алатын сәуле ағынының минималды шамасы. Фотоқабылдағыш құрылғылардың сезімталдылығы фотодиодтың ішкі шуылымен шектеледі, сондай-ақ оның жүктеме кедергісі мен келесі күшейткіштің кіріс тізбегінің жылулық шуылымен шектеледі.

 

2 ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТІ  АСПАПТАРДЫ  ЗЕРТТЕУІШ ҚҰРЫЛҒЫЛАР

 

2.1 Диодтарды тексергіштер

 

Осы қарапайым тексергіш коллетор-эмиттер  кернеуі кезіндег n-p-n транзисторының h_21Э база тоғының статистикалық беріліс коэффициентін өлшейді. Бұл транзисторларды олардың парамтрлары бойынша салыстыруға мүмкіндік береді. Тексергіштің принципиальдық сұлбасы келесі 1-суретте көрсетілген.

2.1-сурет. Транзисторды тексергіштің  принципиальды сұлбасы

 

Тексергіш сұлба көпірлі түрде  құрылған. Оның бір диагоналына U_Қ қорек көзі кернеуі беріледі, ал екінші диагоналына РА1 стрелкалы аспап қосылған. Егер де көпір тепе-тең болып, стрелкалы аспаптағы ток нөлге тең болса, онда бір жағындағы R1,R3(U₁ тең) резисторындағы кернеудің төмендеуі және екінші жақтағы резисторындағы және екінші жақтағы R2 (U₂ тең) резисторындағы     кернеудің төмендеуі тепе-тең болады. Осыған байлансты I₁ тоғы транзистор тоғының база тоғын көрсетеді, ал  I₂ тоғы екіншінің біріншіге қатынасын және h_21Э база тоғының статикалық береліс коэффициенті болатын коллектор тоғын көрсетеді.

Осы токтарды табамыз:

 

I₂ ток мәнін I₁ ток мәніне бөле отырып, база тоғының статистикалық беріліс коэффициентін аламыз:

= =

Бөлуді алып тастау үшін, R2 резистор кедергісін 1 кОм тең деп алсақ жеткілікті болады. Олай болса килооммен белгіленген R1+R3 резисторларының кедергілер қосындысының сандық мәні h_21Э тең болады.

Беріліс коэффициентін есептеу  үшін R3 айнымалы резисторы   R1+R3 кедергілер қосындысын көрсететін шкаламен қамтамасыздандырылады.

ZD5V5 стабилитроны отандық KC156A мен,  ал аспапты жүктемеленуден қорғайтын  V2,V3 диодттары-Д223 диодттарымен алмастырылады.  50 мкА толық ауытқитын токты  РА1 стрелкалы аспап ортасында нөлдік шкалалы болады.

 

 

2.2 Транзисторлар мен диодттарды сынағыш

 

Сынағыш транзисторлардың өткізгіштік  түрі мен ақауларын тексеруге  арналған. Сондай ақ диодттардың шығыстарының тағайындалуы мен олардың ақауларын  тексеруге арналған. Сынағыштың принципиальдық сұлбасы 2.2-суртте келтірілген.

 

2.2-сурет. Жартылайөткізгіш аспап тексергіштің

принципиальдық сұлбасы

 

Егер де транзисторлардың шығыстары  сұлбадағы сынағыштың клеммаларымен  қосылса, онда SA1 ауыстырыпқосқыштары  өткізгіш түрін анықтауға м.мкіндік  береді. Транзистордың құрылымы ауыстырыпқосқыш  күйімен сйкес келсе, осы өткізгіш түріне жауап бертін жарық диодттары жанады. Ал қарама – қарсы жағдай кезінде жарық диодттары жанбайды да оны басқа күйге қарай ауыстырып қосу керек. Егер де жарық диодттары кез-келген жағдайда жанбаса, онда ондағы бір немесе екі ауыстырып қосқыштары істен шыққан болып саналады.

Егер сыналып отырған транзистор жөнделінген болса SB1 кнопкасын басқанда жарық диодының сөнуін тудыру керек. Ал егер де ол жануын ары қарай жалғастырған болса, онда ол эмиттерлік өткелдің ойылуын  білдіреді.

Диодттарды тексеру транзистордың  эмиттер және коллеторға арналған шығыстарына  қосылу кезінде пайда болады. Егер SA1 ауыстырыпқосқыштары p-n-p жағдаына қойылып  және p-n-p жарық диоды жанып тұрса, онда диод жөнделінген болып есептелінеді де коллектор ұяшығына диодттың катоды қосылған. Егер де екі бірдей жарық диодттары жанса, онда диод істен шыққан болады. Егер SA1 p-n-p жағдайында болып p-n-p жарық диоды жанып тұрса, онда диод жұмыс істеп тұр, ал коллектор ұяшығына диодттың аноды қосылған. Егер ауыстырыпқосқыштың екі жағдайында да бірде бір жарық диоды жанбаса, онда диод істен шыққан болады.

 

 

2.3 Транзисторларды зерттегіш

 

Бұл аспап ортақ эмиттерлі қосылған биолярлы транзистрлардың база тоғының  статистикалық берілс коэффициентін  өлшеуге арналған. Онда әдеттегі кездесетін кемшіліктер болмайды. Яғни біртіндеп заряды тасылған батареядағы кернеудің азаюы кезінде база тоғының тұрақты резисторы өзгереді. Осы кезде база тоғының статистикалық беріліс коэффициент мәнін көрсететін аспаптың градировкалауы бұзылады. Сынағыштытың сұлбасы 2.4-суретте көрсетілген.

2.4- сурет. Транзисторларды зерттегіштің  принципиальдық сұлбасы

 

 

Бұл мәселе база тоғының қалыпын  бақылап отыратын 50-100 мкА толық  ауытқитын тоғы бар микроамперметр арқылы шешіледі. Егер де мұндай аспап жоқ болса, онда ұсынылып отырған сынағыш өлшеу кезінде көрсетілген қателерді жояды. Көрсетілген сұлбада 20 дан 40 дейінгі аралықта тоқты беру (h_21Э) коэффициенті бар Т_ЭТ эталонды транзисторы бар. Сынағышты жинастырғаннан кейін оны қалпына келтіруді жүргізеді.Сынағышты жинастырып болғанан кейін оның калибровкасын жасайды. П1 ауыстырыпқосқышы p-n-p күйіне келтіріледі, ал П2 тумблері калибровка күйіне келтіріледі. Содан кейін эталонды транзистордың қорек көзіне жалғанады. Айнымалы R3 резисторының көмегімен алғашқы база тоғының I_Б1=50 мкА есебіндегі  h_21Э көбейтіндісіне тең болатын стрелкалы аспапта коллектор тоғы орнатылады. Жәнеде аспаптың шкаласына алғашқы белгі енгізіледі. Осыдан кейін I_Б2=100 мкА екінші есептелетін база тоғындағы h_21Э тең болатын коллектор тоғын бекітеді және де аспаптың шкаласына екінші белгі I_К2 енгізіледі.

Сыналатын транзисторды тексеру үшін К,Б,Э клеммаларына жалғанады. П1ауыстырыпқосқышы p-n-p күйіне, ал П2 тумблері «калибровка» күйіне            келтіріледі. R3 көмегімен аспаптың стрелкасын бірінші белгіге, ал П2 «өлшеу» күйіне келтіреді де аспап бойынша I_К1 сыналатын транзистордың коллектор тоғын есепке алады. Осылайша екінші белгідегі эталонды транзистордың коллектор тоғын орната отырып, I_К2 зерттелетін транзистордың коллектор тоғын есептейді. Содан кейін база тоғының статистикалық беріліс коэффициентін келесі формула бойынша табамыз:

Стрелкалы аспап ретінде 5 мА толық  ауытқу тоғы бар милиамперметр қолданылады.

 

 

2.4 Транзисторларды тексеруге  арналған аспап

 

Аспап биполярлы транзистордың I_КЭК коллектор-эмиттор кері тоғындағы және h_21Э ортақ эмиттерлі сұлбадағы база тоғының статистикалық беріліс коэффииентін өлшеуге арналған. Аспаптың принципиальдық сұлбасы 4-суретте көрсетілген.

Сұлбада көрсетілген SA1 ауыстырыпқосқышы өлшеу режимін таңдау үшін қызмет етеді, ал SB1- қорек көзін қосу үшін, ал SB2- зерттеліп отырған транзистрдың өткізгіштігін тандауға арналған. Транзистордың шығыстары ХТ1-ХТ3 клеммаларына, ал қоректік батарея XS1 клеммасына қосылады.

Коллектор-эмиттердің кері тоғын өлшеу кезінде SA1 ауыстырыпқосқышы I_КЭК күйіне келтіріледі. Транзистор эмиттері база тоғын шектейтін R3 резистор кедергісі арқылы базамен жалғасады. Ал коллектор тізбегіне R5 және R8 резисторларынан, VD1 диодынан және РА1микроамперметрынан тұратын  ток өлшегіш пен R4 резисторы қосылған.

2.5- сурет. Аспаптың принципиальды  сұлбасы

 

База тоғының статистикалық  беріліс коэффициентін өлшеу  база тоғының әртүрлі мәндері  кезінде орындалуы мүмкін: 2 немесе 10 мА. Бірінші жағдайдағы h_21Э өлшеу шегі 250 болады, ал екіншіде 100 тең болады. Осы мәндерге сәйкес SA1 ауыстырыпқосқышы бекітіледі. База тоғының көрсетілген мәндері R1 және R2 резисторлары арқылы қамтамасыз етіледі.

Аспапта кедергісі 3000 Ом және стрелканың толық ауытқу тоғы100 мкА тең болатын  микроамперметр қолданылған. Сондықтан R5 шунттын қолдану 1мА толық ауытқитын токты алуға мүмкіндік береді, R6 шунтты -500 мА, ал   R7 шунтында 1А. Егер де 500 мА коллектор тоғын 2 мА база тоғына бөлетін болсақ, онда h_21Э=250 аламыз, ал 1 A- ді 10 A бөлетін болсақ h_21Э=100 болады.

 

 

 

 

 

2.5 Аз қуатты транзисторларды  зерттеу

 

Осы зерттегіштер көмегімен биполярлы  транзисторлардың ақауларын тексеруге  және 10 нан 650 дейінгі аралықта h_21Э база тоғының статикалық беріліс коэффициентін өлшеуге болады. Бұл аспаптың ерекшелігі зерттелетін транзисторлардың өткізгіш түрлерінің ауыстырыпқосқыштарының болмауында. Транзисторлардан басқа аспаптар көмегімен  шығысындағы анод және котодтағы диодттардың үзілуін немесе ойылуын тексеруге болады. Зерттегіштің құрылымдық сұлбасы 2.6-суретте көрсетілген.

 

2.6-сурет. Зерттегіштің құрылымдық  сұлбасы

 

G1 генераторы зерттелетін транзистордан, VD2 стабилитронынан және    R1,R2 резисторларынан құралған көпірдің  бір диагоналынан келіп түсетін  жиілігі 3 Гц шамасында болатын  биполярлы тіктөртбұрышты импульстарды өндіреді. Екінші диагоналға (В және Г) DA1 компораторы қосылған. Транзистордың база тоғы R1 резисторы кедергісіне кері пропорциональды, ал ток R2 коллекторына кері пропорциональды болады. R1 айнымалы резисторы көмегімен көпір баланысына жету кезінде В және Г нүктелері тепе-тең. Олай болса база тоғының статистикалық беріліс коэффициенті келесі түрде болады: