Измерение ВАХ туннельного диода

 

В данной работе вольтамперная характеристика (ВАХ) туннельного диода исследуется с помощью установки, упрощенной по сравнению с аналогичным учебным модулем ФКЛ 5, изготавливаемым НПО Учебной Техники «ТулаНаучПрибор» (см. http://physexperiment.narod.ru/physics.htm). Принципиальная электрическая схема для измерения ВАХ туннельного диода показана на рис. 17.7. Туннельный диод подключается параллельно сопротивлению  к источнику э.д.с.  с внутренним сопротивлением r. В замкнутую цепь также включено сопротивление .

 

Рис. 17.7. Принципиальная электрическая схема для измерения ВАХ туннельного диода

 

Полный ток в замкнутой цепи I равен сумме токов через сопротивление  и туннельный диод: ,

, .                                 (17.1)

С помощью закона Ома для полной цепи

,                                        (17.2)

можно найти полный ток в замкнутой цепи

,                                             (17.3)

и прямой ток через туннельный диод

.                                    (17.5)

Ток  и падение напряжения на туннельном диоде  удовлетворяют системе уравнений

        (17.6)

где  – функция, описывающая зависимость прямого тока туннельного от напряжения  (см. рис. 17.3 – 17.5). Решения системы (17.6) можно найти графически как точки пересечения графика ВАХ и прямой линии, задаваемой вторым уравнением, примеры показаны на рис. 17.8.

 

Рис. 17.8. Примеры графического решение системы (17.6): ток через туннельный диод  и падение напряжения на диоде  соответствуют точкам А, В, С, D пересечения графика ВАХ и прямой линии, задаваемой вторым уравнением системы (17.6). Четыре прямые соответствуют различным значениям сопротивлений , , таким, что .

 

Если в цепи на рис. 17.7 оба сопротивления  и  являются частью одного переменного резистора, включенного как потенциометр (см. рис. 17.10, 17.11, а также рис. 16.11), т.е.

, , , ,             (17.7)

то систему (17.6) можно записать в виде

             (17.8)

причем , т.е.  при x = 0.

В измерительной установке туннельный диод 3И201Г подключен через потенциометр к батарейке (частично разряженному элементу питания ААА) с напряжением около 1 В. Схема электрической цепи показана на рис. 17.10а. Выводы, соответствующие точкам A, B, C, D, E для подключения внешних вольтметра и амперметра размещены на прозрачной верхней панели.
В качестве вольтметра и амперметра используются два мультиметра с выводами, имеющими зажимы (“крокодильчики”).

Выполните следующие измерения.

1. Измерьте максимальное сопротивление переменного резистора R. Для этого поверните его ручку вправо до упора, переведите мультиметр в режим омметра (W), а его выводы подключите к точкам В и С схемы (рис. 17.9а ).

2. Измерьте э.д.с. батарейки. Для этого мультиметр переведите в режим вольтметра (V) и подключите его выводы к точкам А и В схемы (см. рис. 17.9б).

 

      

а                                                 б

Рис. 17.9. Электрическая схема установки (а) и измерение э.д.с. источника тока (б)

 

3. Создайте замкнутую цепь для измерения внутреннего сопротивления источника тока r (рис. 17.10а).

 

      

а                                                 б

Рис. 17.10. Схемы для измерение внутреннего сопротивления источника тока (а) и для снятия ВАХ туннельного диода (б).

 

Подключите выводы вольтметра к точкам В и С, а выводы амперметра (на максимальном диапазоне измерения тока до 200 мА) – к точкам А и С (тем самым замыкая цепь). Измерьте напряжение U и ток I. Запишите закон Ома для полной цепи, выразите из него внутреннее сопротивление r. В полученную формулу подставьте измеренные значения U и I, вычислите значение r.

4. Создайте цепь для снятия ВАХ туннельного диода (рис. 17.10б). Подключите выводы вольтметра к точкам D и E, а выводы амперметра (на максимальном диапазоне измерения тока до 200 мА) – к точкам C и D (при разомкнутом ключе).

5. Поверните ручку переменного резистора (потенциометра) влево до упора и замкните ключ. Увеличивая прямое напряжение  от 0 до 1 В ручкой потенциометра, запишите в табл. 17.1. значения U и тока I, затем повторите измерения, уменьшая напряжение. Время непрерывных измерений – не более 5 мин. Затем необходимо разомкнуть цепь на примерно такое же время.

Таблица 17.1.

Возрастание		Убывание
U	I	U	I

 

6. После завершения измерений поверните ручку переменного резистора влево до упора, разомкните цепь ключом и выключите мультиметры.

7. Постройте график зависимости тока от напряжения – вольтамперную характеристику ВАХ.

 Для трех значений параметра  (указанных преподавателем) аналогично рис. 17.5б постройте прямые, задаваемые вторым уравнением системы (17.8), и найдите точки их пересечения с графиком ВАХ. Для построения каждой прямой предварительно найдите точки ее пересечения с осями координат.