Спосіб автоматизованого вимірювання вольт-амперних характеристик напівпровідникових приладів

Спосіб автоматизованого вимірювання вольтамперних характеристик напівпровідникових приладів, який полягає в тому, що на досліджуваний напівпровідниковий прилад подають послідовність прямокутних електричних імпульсів зі змінною амплітудою, реєструють відповідні значення відгуків на послідовність електричних імпульсів, який відрізняється тим, що перед подачею послідовності C2 2 (19) 1 3 електричних імпульсів із змінною амплітудою та постійною тривалістю імпульсів і пауз між ними, і одночасно із цим реєструються відгуки на цю послідовність імпульсів [Кудреватых Е.Ф. Виртуальный измеритель вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов АСС-4211 // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2002. - №1. - С. 17-19]. Задання малої тривалості електричних імпульсів сприяє зменшенню саморозігріву досліджуваного напівпровідникового приладу, що дозволяє зменшити вплив теплових процесів на результати вимірювань й, відповідно, підвищити їх точність (Кудреватых Е.Ф. Виртуальный измеритель вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов АСС-4211 // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2002. - № 1. - С. 17-19). Недоліком способу вимірювання, який вибрано за прототип, є те, що тривалість електричних імпульсів і тривалість пауз між ними у формованій послідовності задаються постійними величинами, які не залежать від типу досліджуваного напівпровідникового приладу. Необхідно відзначити, що у цьому способі задля вимірювання напівпровідникових приладів різних типів із різною швидкодією задана тривалість імпульсів повинна визначатися, виходячи з можливості вимірювання приладів з найгіршою швидкодією. Відповідно, при вимірюванні напівпровідникових приладів з високою швидкодією задана тривалість імпульсів буде невиправдано великою. Це буде призводити, як зазначено вище, до саморозігріву напівпровідникового приладу і зменшення точності вимірювання. З іншого боку, оскільки напівпровідникові прилади мають різну швидкодію, занадто малої тривалості електричних імпульсів може бути недостатньо для коректної реєстрації імпульсів відгуку досліджуваного приладу. Можлива ситуація, коли під час подачі імпульсу не закінчився перехідний процес встановлення імпульсу відгуку, а вимірювання вже проведено. При цьому збільшується, так звана, динамічна похибка вимірювання. Якщо ж тривалість пауз між імпульсами вибрана занадто малою, її може бути недостатньо для повернення напівпровідникового приладу в початковий тепловий стан до моменту приходу наступного імпульсу з формованої послідовності. Таким чином, задання занадто малої тривалості пауз може також призвести до збільшення методичної похибки вимірювання. З іншого боку, при формуванні послідовності електричних імпульсів з великою кількістю імпульсів, занадто велика тривалість пауз призведе до необґрунтованого збільшення часу, необхідного для вимірювання. Це може бути неприйнятним, коли потрібно здійснювати вимірювання вольт-амперних характеристик великої кількості напівпровідникових приладів за малі проміжки часу. Технічною задачею винаходу є вдосконалення автоматизованого способу вимірювання вольтамперних характеристик напівпровідникових приладів, в якому завдяки раціональному вибору параметрів послідовності електричних імпульсів підвищується точність вимірювання ВАХ, розширюється діапазон допустимих електричних 96998 4 сигналів, що прикладаються до напівпровідникового приладу під час випробувань без ризику зміни його працездатності. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі автоматизованого вимірювання вольт-амперних характеристик напівпровідникових приладів, який полягає в тому, що на досліджуваний напівпровідниковий прилад подають послідовність прямокутних електричних імпульсів зі змінною амплітудою, реєструють відповідні значення відгуків на послідовність електричних імпульсів, відповідно до винаходу, перед подачею послідовності прямокутних електричних імпульсів реєструють початковий тепловий стан досліджуваного напівпровідникового приладу, тривалість електричних імпульсів задають індивідуально для кожного досліджуваного напівпровідникового приладу й вибирають достатньою для встановлення перехідного процесу імпульсу відгуку, тривалість паузи після кожного електричного імпульсу визначають часом, який необхідний для повернення досліджуваного напівпровідникового приладу в близький до початкового тепловий стан, і витримують її доти, доки виконується нерівність: (Ті-Т0) ּ k≥ε, де Ti - поточна температура напівпровідникового приладу; T0 - температура напівпровідникового приладу перед початком вимірювань; k - коефіцієнт пропорційності; ε - величина, що характеризує задане допустиме відхилення поточного теплового стану від початкового. На фіг.1 наведено діаграми у часі, які пояснюють запропонований спосіб; на фіг.2 - блок-схема автоматизованої системи, в якій може бути реалізований запропонований спосіб; на фіг.3 - приклад підключення двополюсного напівпровідникового приладу для вимірювання його ВАХ; на фіг.4 - діаграми у часі, що пояснюють процес вимірювання ВАХ двополюсного напівпровідникового приладу; на фіг.5 - приклад підключення триполюсного напівпровідникового приладу для вимірювання його ВАХ; на фіг.6 - діаграми у часі, що пояснюють процес вимірювання ВАХ триполюсного напівпровідникового приладу при постійній напрузі (струмі) живлення; на фіг.7 - діаграми у часі, що пояснюють процес вимірювання ВАХ триполюсного напівпровідникового приладу при імпульсній напрузі (струмі) живлення. Суть запропонованого способу полягає в тому, що перед подачею імпульсної послідовності реєструється початковий тепловий стан T0 досліджуваного приладу (фіг.1), після чого на нього подається перший електричний імпульс 1 заданої амплітуди Аі1. Внаслідок протікання струму через досліджуваний напівпровідниковий прилад у момент дії імпульсу, його температура Тi починає збільшуватися. Тривалість електричного імпульсу ti.1 визначається швидкодією досліджуваного приладу й вибирається мінімальною, але достатньою для встановлення перехідного процесу імпульсу відгуку 2. Величина імпульсу відгуку 3, що використовується для визначення ВАХ, реєструється через проміжок часу ti.1 з моменту подачі імпульсу, 5 після чого поданий на прилад імпульс знімається. Оскільки за відсутності поданого на досліджуваний напівпровідниковий прилад імпульсу струм через нього не протікає, його температура Ti починає зменшуватися, наближаючись до початкової T0. Пауза tn.1 витримується доти, доки виконується нерівність: (Ті-Т0) ּ k≥ε, де Тi - поточна температура напівпровідникового приладу; Т0 - температура напівпровідникового приладу перед початком вимірювань; k - коефіцієнт пропорційності; ε - величина, що характеризує задане допустиме відхилення поточного теплового стану від початкового. Після паузи tn.1 на досліджуваний прилад подається наступний електричний імпульс амплітудою Аі.2 і процес повторюється. Коефіцієнт пропорційності k встановлює зв'язок між температурою напівпровідникового приладу й величиною, що характеризує його тепловий стан. Запропонований спосіб вимірювання вольтамперних характеристик реалізовано в системі для автоматизованого вимірювання вольтамперних характеристик напівпровідникових приладів (фіг.2). Розроблена система складається з наступних функціональних блоків: - персональний комп'ютер (ПК) 4; - вимірювальний модуль 5, що складається з мікроконтролера, елементів пам'яті, а також пристрою сполучення апаратної частини із ПК; - формувач аналогових сигналів 6, що складається з двох керованих джерел струму та двох керованих джерел напруги з максимальною амплітудою вихідного сигналу ±1А та ± 10В відповідно; - датчики напруги й струму 7, що протікає через досліджуваний напівпровідниковий прилад 8. Формувач аналогових сигналів і датчики реалізовані на основі швидкодіючих операційних підсилювачів, що забезпечують швидкість наростання вихідної напруги 1000 В/мкс. Вимірювання здійснюються наступним чином. Прикладна програма в ПК 4, залежно від типу досліджуваного приладу й заданих користувачем параметрів, формує алгоритм дій для вимірювального модуля 5 відповідно до запропонованого способу. В алгоритмі задані такі параметри, як максимальна амплітуда й кількість електричних імпульсів, величини, що будуть реєструватися, допустиме відхилення є, умови завершення вимірювань. На початковому етапі вимірювальним модулем 5 здійснюється визначення швидкодії досліджуваного напівпровідникового приладу й встановлюється тривалість електричних імпульсів ti.1. Вимірювальний модуль 5 відповідно до алгоритму, отриманого з ПК, подає імпульси керування на формувач аналогових сигналів 6, який, у свою чергу, подає електричні сигнали на досліджуваний напівпровідниковий прилад 8. Датчики 7 фіксують напругу й струм, що протікають через напівпровід 96998 6 никовий прилад під час дії на нього імпульсу, і передають зареєстровані значення у пам'ять вимірювального модуля 5. Після закінчення процесу вимірювання ВАХ, дані,що накопичуються в пам'яті вимірювального модуля 5, передаються в ПК 4 для наступного аналізу й побудови характеристики. Тепловий стан досліджуваного приладу в процесі вимірювання визначається опосередковано через контроль параметра, що залежить від температури. як цей параметр вибрано пряму напругу на p-n-переході Unp. Для оцінки зміни температури p-n-переходу за величиною прямої напруги як коефіцієнт пропорційності k використано температурний коефіцієнт напруги, що приблизно дорівнює 3 мВ/°С для кремнію та 2 мВ/°С для германію. Запропонований спосіб може використовуватися для вимірювання вольт-амперних характеристик як двополюсних, так і триполюсних напівпровідникових приладів. Для вимірювання ВАХ двополюсного напівпровідникового приладу 10 (фіг.3) необхідне одне джерело сигналів керування 9, яке генерує сигнали А1 із заданими параметрами. Відповідно до запропонованого способу діаграми у часі Аl(і) і Т(t) у цьому випадку будуть мати вигляд як на фіг.4. ВАХ триполюсного напівпровідникового приладу, фактично, являє собою ВАХ двополюсного при заданій напрузі (струмі) живлення на третьому виводі елемента. Тому, для вимірювання ВАХ триполюсного напівпровідникового приладу 12 (фіг.5) необхідно два джерела електричних сигналів 11 й 13, одне з яких використовується як джерело сигналів керування, а друге - як джерело напруги (струму) живлення. Відповідно до запропонованого способу діаграма сигналів керування у часі А2(t) буде мати вигляд як на фіг.6 і фіг.7. У свою чергу, форма напруги (струму) живлення може мати як безперервний характер A3(t) (фіг.6), так й імпульсний A4(t) (фіг.7) - для зменшення саморозігріву. Слід зазначити, що відповідно до запропонованого способу при дослідженні триполюсних напівпровідникових приладів варіанти подачі сигналів керування і напруги (струму) живлення не обмежуються наведеними прикладами. Використання запропонованого способу вимірювання вольт-амперних характеристик у порівнянні з існуючими способами дозволяє задавати тривалість електричних імпульсів відповідно до типу досліджуваного напівпровідникового приладу, і паузи між ними, виходячи з умови повернення приладу в тепловий стан, близький до початкового. Це дозволяє звести до мінімуму методичну похибку і, відповідно, збільшити точність вимірювання ВАХ напівпровідникових приладів незалежно від їхньої швидкодії. Крім того, використання способу дозволяє розширити діапазон допустимих електричних сигналів, що подаються на напівпровідниковий прилад під час вимірювання без ризику виходу його з ладу. 7 96998 8 9 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 96998 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601