Спосіб визначення падіння напруги на р-n переході напівпровідникового датчика

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для определения падения напряжения на электронно-дырочном переходе полупроводниковых датчиков, работающих в режиме заданного тока. В режиме заданного тока, когда через электронно-дырочный переход - переход) протекает постоянный ток заданной величины, падение напряжения на переходе функционально зависит от влияющего фактора. Поэтому полупроводниковые структуры с -переходом все шире используются в качестве высокочувствительных и малогабаритных первичных измерительных преобразователей датчиков различных физических и химических величин, а в качестве информативного параметра датчика используется падение напряжения на его -переходе от заданного тока. Известен также способ определения падения напряжения на переходе полупроводникового датчика, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что к полупроводниковому датчику с ограничивающим резистором подключают постоянное напряжение с полярностью, открывающей -переход, измеряют протекающий ток, регулируют ток до получения заданного значения, измеряют падение напряжения на полупроводниковом датчике и рассчитывают сопротивление пассивной части а падение напряжения на -переходе датчика определяют по формуле где - удельное сопротивление базы; - толщина базы; - площадь поперечного сечения. Однако для реальных полупроводниковых структур не имеет постоянного значения по всей толщине базы значение изменяется от образца к образцу из-за технологического разброса и, наконец, величины и не всегда можно задать или определить с необходимой точностью в полупроводниковых структурах. Поэтому расчетный метод определения сопротивления пассивной части полупроводникового датчика и последующее введение поправки на падение напряжения на его пассивной части не обеспечивают высокую точность определения падения напряжения на активной части датчика. В основу изобретения положена задача создания способа определения падения напряжения на -переходе полупроводникового датчика, в котором поправка на падение напряжения в пассивной части определяется не расчетным путем, а на основании дополнительных измерений падения напряжения на основном датчике при разных токах, благодаря чему повысилась бы точность определения падения напряжения на активной части датчика. Поставленная задача решается тем, что в способе определения падения напряжения на переходе полупроводникового датчика, заключающемся в том, что к полупроводниковому датчику с ограничивающим резистором подключают постоянное напряжение с полярностью, открывающей -переход, измеряют протекающий ток, регулируют ток до получения заданного значения и измеряют падение напряжения на полупроводниковом датчике, согласно изобретения измерение падения напряжения производят при заданном токе, который выбирают меньше половины предельного тока обратного насыщения, затем проводят измерение среднеквадратичного отклонения ряда измерений падения напряжения увеличивают ток до тех пор, пока значение падения напряжения на полупроводниковом датчике не превысит значение падения напряжения на величину равную 100 - 200 среднеквадратичных отклонений ряда измерений падения напряжения после чего определяют коэффициент как отношение тока, соответствующего падению напряжения и заданного тока, измеряют падение напряжения при токе, который получают делением заданного тока на коэффициент и определяют падение напряжения на переходе при заданном значении тока датчика по формуле Проведение трех измерений падения напряжения на полупроводнике датчика, при указанных соотношениях токов через датчик, позволяет вычислить поправку на падение напряжения на пассивной части полупроводниковой структуры непосредственно по результатам прямых измерений и определить тем самым падение напряжения на - переходе (активной части) датчика. Умножение и деление заданного тока на один и тот же коэффициент для получения двух значений дополнительных токов обеспечивает исключение влияния падения напряжения на -переходе датчика при экспериментальном определении сопротивления его пассивной части. Выбор этого коэффициента из условий различимости падений напряжений при различных токах минимизирует эти токи, что исключает дополнительный нагрев полупроводникового датчика. Сущность предлагаемого способа определения падения напряжения на переходе полупроводникового датчика заключается в следующем. Полупроводниковый датчик с ограничивающим резистором подключают к источнику постоянного напряжения, открывающему -переход датчика. При открытом переходе падение напряжения на нем определяется током прямой ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) где - предельный ток обратного насыщения при температуре - коэффициент, зависящий от ширины запрещенной зоны -перехода и имеющий размерность температуры. Учитывая, что при температуре при которой работают большинство полупроводниковых датчиков, температурный потенциал можно принять Из уравнения (2) падение напряжения на активной части датчика, т.е. на переходе, при заданном значении тока имеет значение Далее определяют разность вычисленных разностей падений напряжений (12) и (13) Для исключения дополнительного нагрева датчика протекающим током, заданный ток выбирают меньше предельного тока обратного насыщения Поэтому падение напряжения на переходе при представим в виде где логарифм отношения токов положительная величина. Суммарное падение напряжения на полупроводниковом датчике с учетом сопротивления его пассивной части (эмиттерный и базовый слои) составляет где - суммарное сопротивление пассивной части, определяемое в основном относительно высокоомным сопротивлением базы полупроводниковой структуры. Для определения падения напряжения непосредственно на активной части датчика через открытый диод вначале пропускают заданный ток датчике: и измеряют падение напряжения на Затем производят измерений падения напряжения и определяют среднеквадратичное отклонение ряда измерений падения напряжения по формуле Далее увеличивают ток через датчик до значения при котором падение напряжения отличается от падения напряжения коэффициент После чего определяют из выражения Падение напряжения на датчике от второго значения тока можно записать следующим образом Затем уменьшают ток через датчик до значения тока которое получают делением заданного значения тока на коэффициент т.е. Измеряют падение напряжения от третьего значения тока на датчике С учетом значений токов соотношений (8) и (10) имеем и из Тогда определяемая разность (14) принимает вид Сопротивление пассивной части датчика, определяемое из уравнения (16) без влияния его активной части Так как разность (14) имеет вид то сопротивление пассивной части датчика Падение напряжения на переходе датчика при заданном значении тока определяется из уравнения (6) с учетом поправки на падение напряжение на его пассивной части Из выражения (2) видно, что по трем измеренным значениям падения напряжения на полупроводниковом датчике при выбранном соотношении токов через его переход можно определить падение напряжения непосредственно на активной части датчика. При этом исключается методическая погрешность от падения напряжения на пассивной части датчика, сопротивление которой не постоянно и изменяется в процессе эксплуатации полупроводникового датчика и сильно зависит от температуры окружающей среды. Так, для полупроводникового диода типа Д9, используемого в качестве миниатюрного термодатчика, падение напряжения при токе составляет 400Мв. Измерения проводились при СКО равном 0,5мВ. Падение напряжения возрастает до при увеличении тока до значения Следовательно, в соответствии с выражением (8) коэффициент равен 1,5. Уменьшение тока до значения уменьшает падение напряжения на диоде до Падение напряжения на его -переходе в соответствии с формулой (20) составляет По результатам трех измерений (6), (9) и (11) вычисляют разности падений напряжений от токов и токов Без учета поправки на падение напряжения на пассивной части термодатчика относительная методическая погрешность составляет Как видно из приведенного примера, предложенный способ обеспечивает повышение точности измерения падения напряжения на переходе полупроводникового датчика за счет исключения методической погрешности, обусловленной падением напряжения на пассивной части термодатчика. Учитывая, что полезные (информативные) изменения напряжения на -переходе полупроводникового датчика как правило не превышают 5 - 10%, то приведенная выше методическая погрешность в значительно большей мере искажает результат измерения.