ВАХ! Измеряем вольт-амперную характеристику полупроводника при помощи Arduino

Теория

Преж­де чем прис­тупать к прак­тике, нуж­но разоб­рать нес­коль­ко важ­ных момен­тов, которые понадо­бят­ся нам в работе. Для начала, конеч­но, сто­ит вспом­нить, что же такое полуп­ровод­ник.

Полупроводники

Что при­ходит в голову, ког­да слы­шишь сло­во «полуп­ровод­ник»? Полуп­ровод­ники исполь­зуют­ся чуть ли не во всех сов­ремен­ных устрой­ствах, полуп­ровод­ник — это глав­ная инно­вация эпо­хи. Мы прош­ли огромный путь от опы­тов Фарадея до пер­вых тран­зисто­ров и до сов­ремен­ных компь­юте­ров.

Лю­бая мик­росхе­ма, лежащая в осно­ве циф­рового устрой­ства, сос­тоит из тран­зисто­ров, в прош­лых стать­ях про элек­тро­нику я о них под­робно рас­ска­зывал. А тран­зисто­ры, в свою оче­редь, соз­дают­ся на осно­ве имен­но полуп­ровод­ников.

Сам по себе полуп­ровод­ник — это вещес­тво, име­ющее осо­бые свой­ства про­води­мос­ти элек­три­чес­тва. «Какие еще осо­бые свой­ства? — спро­сишь ты. — Ток есть ток, подал на один конец про­вод­ника плюс питания, на дру­гой минус, ток и течет!» А вот в этом и есть изю­мин­ка полуп­ровод­ников. По наз­ванию понят­но, что они находят­ся как бы меж­ду про­вод­никами и диэлек­три­ками, то есть меж­ду матери­ала­ми, ток пол­ностью про­водя­щими, и матери­ала­ми, не про­водя­щими ток вов­се. Про­водить или не про­водить — вот в чем воп­рос!

Так вот, суть полуп­ровод­ника в том, что свой­ства его про­води­мос­ти могут изме­нять­ся в зависи­мос­ти от усло­вий, в которых он находит­ся. И имен­но на этом осно­вана вся сов­ремен­ная элек­тро­ника, ведь так мож­но совер­шенно по‑раз­ному вза­имо­дей­ство­вать с током, модули­ровать, уси­ливать и нап­равлять его. Из полуп­ровод­никовых матери­алов инже­неры при­дума­ли собирать тран­зисто­ры, которые поз­воля­ют исполь­зовать эти замеча­тель­ные свой­ства, а уже из тран­зисто­ров дела­ют мик­росхе­мы.

Один из самых популяр­ных полуп­ровод­ников — крем­ний. Он дос­тупный, дешевый и уни­вер­саль­ный. Прав­да, вряд ли кусок крем­незема, который ты наковы­ряешь у себя на даче, подой­дет для соз­дания тран­зисто­ра. Крем­ний дол­жен быть очень чис­тым и сос­тоять из одно­го цель­ного крис­талла, поэто­му их выращи­вают в лабора­тори­ях.

Про физичес­кий смысл работы полуп­ровод­ников можешь про­дол­жить читать в Ви­кипе­дии, заод­но поз­накомишь­ся с забав­ным поняти­ем из мира физики — «дыр­ками».

Что за ВАХ?

Вольт‑амперная харак­терис­тика, или же сок­ращен­но ВАХ, — это зависи­мость тока от нап­ряжения в каком‑либо ради­оэле­мен­те. По фак­ту ВАХ необ­ходима для точ­ных рас­четов и про­екти­ров­ки элек­трон­ных при­боров. И вот что­бы инже­нер мог на воп­рос «Рва­нет?!» с гор­достью и уве­рен­ностью отве­тить «Не дол­жно...», ему нуж­на эта харак­терис­тика.

Ес­ли пом­нишь, в шко­ле на уро­ках алгебры ты чер­тил гра­фики на осях X и Y. Здесь же получа­ются при­мер­но такие же гра­фики, толь­ко на одной оси будет сила тока, на дру­гой — нап­ряжение.

Из­мерить ВАХ мож­но вруч­ную, с помощью обыч­ного муль­тимет­ра. Для это­го через иссле­дуемый ком­понент необ­ходимо про­пус­тить нап­ряжение и пос­мотреть зна­чение силы тока. Потом добав­ляем нап­ряжение и записы­ваем соот­ветс­тву­ющие зна­чения силы тока для каж­дого пос­леду­юще­го изме­рения. Получен­ные резуль­таты отме­чаем на оси в виде точек, а пос­ле стро­им по ним гра­фик. Это и будет вольт‑амперная харак­терис­тика.

В прош­лых стать­ях я рас­ска­зывал про све­тоди­од, думаю, ты стал­кивал­ся с ним бес­счет­ное количес­тво раз. Но знал ли ты, что све­тоиз­луча­ющий диод — это и есть не кто иной, как пред­ста­витель полуп­ровод­никовой струк­туры, который излу­чает кван­ты све­та при про­тека­нии через него пря­мого тока? Ког­да исполь­зуют све­тоди­од, обыч­но учи­тыва­ют две его основные харак­терис­тики: пер­вая — это непос­редс­твен­но наша вольт‑амперная, а вто­рая — зависи­мость интенсив­ности све­та от силы тока.

В качес­тве подопыт­ного сус­лика будем сегод­ня исполь­зовать имен­но све­тоди­од. Если вдруг не пом­нишь, прин­цип его дей­ствия доволь­но прост, по фак­ту это ана­лог нип­пеля в элек­три­чес­тве — ток течет через диод толь­ко в одном нап­равле­нии, от ано­да (+) к катоду (–). Ниже ты видишь при­меры гра­фиков ВАХ и зависи­мос­ти интенсив­ности све­та от силы тока све­тоди­ода.

Arduino за 30 секунд

В нашем про­екте нам понадо­бит­ся мик­рокон­трол­лер Arduino, о котором ты уже, думаю, нас­лышан. Но преж­де чем ты закатишь гла­за и подума­ешь «Ах, опять эта желез­ка с Али­экс­прес­са, которой у меня нет», попыта­юсь успеть посове­товать тебе все же купить прос­той вари­ант пла­ты, нап­ример Nano или Uno. Я счи­таю, что любой ува­жающий себя айтиш­ник дол­жен уметь так или ина­че обра­щать­ся с популяр­ными желез­ками. В слу­чае с Arduino это не толь­ко полез­но, но и инте­рес­но! Счи­тай, я даю тебе шанс заново открыть для себя Lego, но в мире элек­тро­ники и прог­рамми­рова­ния.

Ес­ли вкрат­це, Arduino — эта­кий компь­ютер раз­мером с ладонь. К нему ты можешь под­клю­чить любые под­ходящие элек­трон­ные ком­понен­ты и зап­рограм­мировать свое устрой­ство, заг­рузив прог­рамму со сво­его компь­юте­ра. Прог­рамми­рова­ние ведет­ся на С++, прав­да нем­ного изме­нен­ном. Для начала работы тебе необ­ходимо пос­тавить сре­ду раз­работ­ки Arduino IDE, которую ты можешь ска­чать с офи­циаль­ного сай­та Arduino. Вто­рая вер­сия, кста­ти, силь­но отли­чает­ся от пре­дыду­щей (и, как по мне, ста­рая более дру­желюб­на).

Фоторезистор

Те­перь погово­рим об одном элек­трон­ном ком­понен­те — который работа­ет имен­но за счет наших любимых полуп­ровод­ников. Ты дол­жен был запом­нить, что они спо­соб­ны менять свои свой­ства про­веде­ния тока в зависи­мос­ти от внеш­них фак­торов. Фоторе­зис­тор как раз хороший при­мер: он работа­ет как обыч­ный резис­тор, то есть огра­ничи­вает ток, толь­ко вот соп­ротив­ление свое меня­ет в зависи­мос­ти от све­та, который на него попада­ет.