Установка для динамического измерения вольт-амперной характеристики туннельных диодов

Полезная модель относится к измерительной технике и учебно-научному лабораторному оборудованию в области измерения и контроля электрофизических параметров полупроводниковых туннельных диодов различной конструкции и изучения квантово-механических физических процессов, лежащих в основе его работы. Установка может быть использована для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) любых туннельных диодов в научных и учебных целях.
Известен способ измерения параметров вольт-амперной характеристики туннельного диода (см. патент SU №151724, МПК G01R 31/26, опубл. 01.01.1962), которые определяются в способе как границы самовозбуждения. Недостатком известного решения является то, что результатом измерения является не сама кривая ВАХ, а его частные параметры, такие как напряжение, при котором ток через диод имеет максимальное и минимальное значения.
В известном способе (см. патент US №3292055, МПК G05F 3/16; G05F 3/08; H01L 29/00; H01L 21/00; H03F 3/04; H03K 3/00; H03F 3/12; H01L 27/00; H03K 3/315, опубл. 13.12.1966) измерение статической характеристики туннельного диода осуществляется путем шунтирования диода емкостью, причем емкость расположена конструктивно в самом корпусе диода. Однако подобное решение, возможно, ухудшает высокочастотные свойства туннельных диодов в процессе его эксплуатации.
Известен способ измерения статической характеристики туннельного диода, зашунтированного емкостью, путем погружения в электропроводящую жидкость (см. патент SU №568912, МПК G01R 31/26, опубл. 05.12.1977). Недостатком технического решения является необходимость применения электропроводящей жидкости, что отрицательно сказывается на эксплуатационных качествах прибора.
Кроме того, известна установка (см. Глушков В.В. Туннелирование электронов в вырожденном p-n-переходе. Лабораторная работа №18 // М.: Московский физико-технический институт 2008. - 30 с.), в которой измерение ВАХ туннельного диода осуществляется при помощи двухканального вольтметра, реализованного на базе 16-битных аналого-цифровых преобразователей.
В учебном пособии Московского государственного института радиоэлектроники и автоматики (см. Батоврин В.К., Бессонов А.С., Мошкин В.В.,  LabVIEW: Аналоговая и цифровая электроника. Практические лабораторные работы // ФГБОУ ВПО «Московский технологический университет» - М., 2009. - 132 с. ISBN 978-5-7339-0660-7) описана лабораторная работа «Исследование вольт-амперной характеристики туннельного диода», в которой практическая реализация осуществляется в программной среде LabVIEW с помощью инструментальных средств компании National Instruments.
Известно также устройство для измерения вольт-амперных характеристик германиевого туннельного диода (ФКЛ-5. Лабораторная работа. Изучение туннельного эффекта с помощью полупроводникового туннельного диода // НПО образовательного оборудования «ТулаНаучприбор». Тула, 2011. 28 c.), разработанное НПО Учебной техники «ТУЛАНАУЧПРИБОР».
Недостатками известных устройств является то, что измерения снимаются посредством цифровых устройств, таким образом, лабораторные установки становятся зависимыми от необходимости наличия специфического дорогостоящего оборудования.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, выражается в создании простого и надежного устройства лабораторной установки для изучения проявления туннельного эффекта в туннельном диоде, характеризующегося улучшенным подавлением самовозбуждения туннельного диода.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в устранении измерений, не касающихся туннельного эффекта артефактов, и получении хорошо воспроизводимого экспериментального результата.
Для решения поставленной задачи лабораторная установка для измерения вольт-амперной характеристики туннельного диода в динамическом режиме, содержащая генератор пилообразного напряжения, основную измерительную цепь, состоящую исследуемого туннельного диода и балластного сопротивления, выполненный в виде независимого модульного блока, отличается тем, что в нагрузку генератора пилообразного сигнала включен резистивный регулируемый делитель, выход делителя соединен с входом буферного усилителя, на выходе которого подключен двухтактный эмиттерный повторитель на комплементарной паре транзисторов, в нагрузку которого включена основная измерительная цепь, то есть исследуемый диод и балластное сопротивление, параллельно каждому из которых соединены высокоомные входные цепи разностных усилителей.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, создание простой по конструкции в сочетании с оригинальными схемотехническими решениями установки, отличающейся компактностью выполнения в виде автономного модульного блока, действующего независимо от наличия внешних измерительных приборов.
Устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана функциональная блок-схема устройства, фиг. 2 - осциллограмма ВАХ туннельного диода АИ306К, снятая с помощью установки заявляемого устройства, фиг. 3 – вольт-амперная характеристика туннельного диода типа АИ101, снятая с помощью инструментальных средств компании National Instruments.
1
2
3
Установка работает следующим образом. Нагрузкой генератора пилообразного сигнала 1 является регулируемый резистивный делитель (см. фиг. 1), состоящий из резистора R и потенциометра R. С делителя выбранная амплитуда пилообразного напряжения поступает на буферный согласующий усилитель 3, охваченный обратной связью. С него на двухтактный эмиттерный повторитель 2 на комплементарной паре транзисторов, в нагрузку которого включена основная измерительная цепь, то есть последовательно соединенные исследуемый диод VD и балластное сопротивление R. Напряжение на диоде и напряжение на балластном сопротивлении, которое пропорционально току через диод, измеряются инструментальными усилителями 4 и 5, а с их выходов поступают на Х и Y входы осциллографа. Высокоомные входы этих усилителей не шунтируют измерительную цепь, что приводит к эффективному подавлению самогенерации.
Тот факт, что в нагрузку генератора пилообразного сигнала 1 включен резистивный регулируемый делитель, а не основная измерительная цепь, приводит к стабильной работе генератора пилообразного сигнала, поскольку нагрузка его меняется не сильно, и избавляет от необходимости регулировки уровня выходного пилообразного сигнала непосредственно на выходе генератора. Регулировка уровня сигнала осуществляется с помощью делителя. В аналогах не непосредственное соединение в нагрузку основную измерительную цепь с дифференциальными резистивными характеристиками не всегда дает воспроизводимый результат.
Малый сигнал от делителя усиливается буферным предварительным усилителем 3 малой мощности, выход которого соединен к входу эмиттерного повторителя 2 с малым выходным сопротивлением, в нагрузку которого включена основная измерительная цепь, то есть исследуемый диод и балластное сопротивление. Поскольку малое выходное сопротивление эмиттерного повторителя малокритично к переменной нагрузке основной измерительной цепи, нет самовозбуждения диода с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В аналогах очень часто не применены такие меры предосторожности, что приводит к самовозбуждению туннельного диода в измерительной цепи и генерации помех во всей цепи, включая генераторные и усилительные цепи.
В стандартных цепях измерения ВАХ нелинейных элементов параллельно исследуемому нелинейному элементу и балластному сопротивлению с линейными характеристиками соединяют X и Y входы осциллографа. В аналогах тоже применена такая схема соединения, и иногда это даже работает, поскольку входные сопротивления осциллографов довольно велики, но очень часто такое соединение шунтирует цепь, что тоже приводит к отрицательному итогу, либо самовозбуждению, либо к нивелированию туннельного эффекта. Поэтому в заявляемой установке предприняты дополнительные меры предосторожности, параллельно исследуемому туннельному диоду и балластному сопротивлению соединены еще более высокоомные входные цепи разностных усилителей с полевыми транзисторами на входе.
Напряжение на диоде и напряжение на балластном сопротивлении, которое пропорционально току через диод, измеряются разностными усилителями на ОУ и поступают на Х и Y входы осциллографа. Усилители на ОУ препятствуют проникновению наводки с выхода ОУ в измерительную цепь с туннельным диодом. Кроме того, это способствует увеличению отношения сигнал-шум.
Таким образом, установка по заявленному решению является практически безотказным прибором для исследования характеристик туннельного диода для применения в прикладных научных исследованиях и для учебных исследовательских и лабораторных работ со студентами. Простота конструкции приводит к максимальному удешевлению и надежности устройства. Выполнение прибора в виде отдельного модульного блока позволит добиться независимости от внешних измерительных приборов: достаточно иметь обычный осциллограф, чтобы прибор давал результаты измерений.
Тестирование работы установки и сравнение с результатами, полученными с помощью прототипов
На фиг. 2 приведена осциллограмма ВАХ туннельного диода в режиме внутренней развертки по времени. Напряжение с диода (выход Х усилителя) подается на канал 1, напряжение с балластного сопротивления (выход Y усилителя) на канал 2.
Из этой осциллограммы следует, что в установке заявленного устройства подавлен высокочастотный скачок и существенно уменьшилась амплитуда низкочастотного скачка. Величина скачка тока равна 0,78 мА, что составляет 15% от максимума тока и практически не заметна на осциллограммах.
Сравним наши результаты с результатами, полученными на прототипах (см. фиг. 3).
Отметим, что здесь присутствуют оба скачка тока. Первый скачок равен 0.5 мА, второй - 0.7 мА. Второй скачек составляет 33% от максимума.
Полученные на заявленной установке ВАХ количественно и качественно превосходит измеренную ВАХ на аналоге с помощью инструментальных средств компании National Instruments и последующей их обработки в виртуальном приборе лабораторной станции NI ELVIS.