УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ С S-ОБРАЗНОЙ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ Российский патент 1994 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для исследований и измерений параметров полупроводниковых приборов с S-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Известно устройство для измерения параметров полупроводниковых приборов с S-образной характеристикой, содержащее источник питания, нагруженный резистор, испытуемый прибор, параллельно клеммам которого включены емкость и цепь из детектора и первого вольтметра, параллельно с которым соединены емкость и последовательно включенные второй вольтметр и третий вольтметр, параллельно с которым соединен детектор, подключенный через емкость к клеммам испытуемого прибора (авт. св. СССР N 428314, кл. G 01 R 31/26, 15.05.74). Недостатком устройства является ограниченное число измеряемых параметров.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту (прототипом) к предлагаемому является устройство для измерения параметров полупроводниковых приборов с S-образной ВАХ, которое содержит генератор напряжения, измерительную цепь из нагрузки и испытуемого прибора, повторитель напряжения, дифференцирующую цепь, схему управления, ключ и счетчик импульсов, причем генератор напряжения через нагрузку подключен к испытуемого прибору и входу повторителя напряжения, выход которого подключен к пиковому вольтметру, входу ключа и через дифференцирующую цепь к входу схемы управления, а выход ключа соединен с входами второго пикового вольтметра и счетчика импульсов (авт. св. СССР N 648920, кл. G 01 R 31/26, 25.02.79).

Недостатком такого устройства являются ограниченные функциональные возможности, так как оно позволяет определить параметры только участка вольт-амперной характеристики, соответствующего переходу испытуемого прибора из закрытого высокоомного состояния в открытое низкоомное, т.е. напряжения включения (U_вкл) и поддержки (U_под). Параметры, соответствующие обратному переходу прибора из открытого состояния в закрытое, т.е. напряжения отпускания (U_отп) и возврата (U_воз) устройство измерить не позволяет. Кроме того, в устройстве не ограничивается длительность воздействия испытательного напряжения на испытуемый прибор в открытом состоянии, что приводит к дополнительной деградации параметров испытуемых приборов в процессе измерения.

Поставлена задача создать устройство для измерения параметров приборов с S-образной ВАХ, которое позволило бы расширить функциональные возможности и облегчить режимы измерения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство для измерения параметров полупроводниковых приборов с S-образной ВАХ, содержащее генератор напряжения, выход которого через нагрузку соединен с испытуемым прибором и входом повторителя напряжения, схему управления и счетчик импульсов, снабжено аналого-цифровым преобразователем (АЦП), пятью регистрами, цифровым компаратором и блоком индикации, причем в качестве генератора напряжения используется цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), вход которого подключен к выходу счетчика импульсов, выполненного в виде реверсивного счетчика, вход прямого счета которого соединен с первым выходом схемы управления, вход обратного счета - с вторым выходом схемы управления, третий выход которой соединен с управляющим входом первого регистра, четвертый - с управляющим входом АЦП, пятый - с управляющими входами второго и четвертого регистров, шестой - с управляющими входами третьего и пятого регистров, седьмой - с управляющим входом блока индикации, информационный вход АЦП подключен к выходу повторителя напряжения, выход АЦП - к информационным входам первого, второго и третьего регистров и первому входу цифрового компаратора, выход первого регистра подключен к информационным входам четвертого и пятого регистров и второму входу цифрового компаратора, прямой выход которого соединен с первым входом схемы управления, инверсный выход - с вторым входом схемы управления, а выходы второго, третьего, четвертого и пятого регистров соединены с информационным входом блока индикации.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - S-образная ВАХ; на фиг. 3 - структура схемы управления; на фиг. 4 - эпюры напряжения на выходах некоторых блоков устройства.

Устройство для измерения параметров полупроводниковых приборов с S-образной ВАХ содержит реверсивный счетчик 1 импульсов, ЦАП 2, нагрузку 3, испытуемый полупроводниковый прибор 4, повторитель 5 напряжения, схему 6 управления, АЦП 7, первый регистр 8, цифровой компаратор 9, второй 10, третий 11, четвертый 12 и пятый 13 регистры, блок 14 индикации. Выход ЦАП 2 через нагрузку 3 соединен с испытуемым прибором 4 и входом повторителя 5 напряжения. Вход ЦАП 2 подключен к выходу реверсивного счетчика 1, вход прямого счета которого соединен с первым выходом схемы 6 управления, а вход обратного счета - с вторым выходом схемы управления. Третий выход схемы 6 управления соединен с управляющим входом первого регистра 8, четвертый - с управляющим входом АЦП 7, пятый - с управляющими входами второго 10 и четвертого 12 регистров, шестой - с управляющими входами третьего 11 и пятого 13 регистров, а седьмой - с управляющим входом блока 14 индикации. Информационный вход АЦП 7 подключен к выходу повторителя 5 напряжения, выход АЦП подключен к информационным входам первого 8, второго 10 и третьего 11 регистров и первому входу цифрового компаратора 9. Выход первого регистра 8 подключен к информационным входам четвертого 12 и пятого 13 регистров и второму входу цифрового компаратора 9. Прямой выход цифрового компаратора 9 соединен с первым входом схемы 6 управления, а инверсный выход - с ее вторым входом. Выходы второго 10 и третьего 11, четвертого 12 и пятого 13 регистров соединены с информационным входом блока 14 индикации.

Схема управления содержит генератор 15 тактовых импульсов, первый 16, второй 17, третий 18, четвертый 19, пятый 20, шестой 21, седьмой 22 элементы И, первый 23 и второй 24 инверторы, первый 25 и второй 26 элементы ИЛИ, счетчик 27 импульсов, дешифратор 28. Выход генератора 15 тактовых импульсов соединен с первым входом первого элемента И 16, второй вход которого соединен с выходом первого инвертора 23, а выход - с первыми входами второго 17, третьего 18, четвертого 19 и пятого 20 элементов И. Выход второго элемента И 17 соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 25 и является первым выходом 29 схемы 6 управления, а второй вход подключен к первому выходу дешифратора 28 и первому входу шестого элемента И 21, второй вход которого является первым входом 30 схемы 6 управления, а выход соединен с первым входом второго элемента ИЛИ 26. Выход последнего соединен с входом счетчика 27 импульсов, выход которого подключен к входу дешифратора 28. Второй выход дешифратора 28 соединен с вторым входом третьего элемента И 18, третий выход - с вторым входом четвертого элемента И 19 и первым входом седьмого элемента И 22, второй вход которого является вторым входом 31 схемы 6 управления, а выход соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ 26. Четвертый выход дешифратора 28 подключен к второму входу пятого элемента И 20, выход четвертого элемента И 19 подключен к второму выходу 32 схемы 6 управления и второму входу первого элемента ИЛИ 25, выход которого соединен с третьим выходом 33 схемы управления и входом второго инвертора 24, выход которого соединен с четвертым выходом 34 схемы управления. Выход третьего элемента И 18 соединен с пятым выходом 35 схемы 6 управления и третьим входом второго элемента ИЛИ 26, четвертый вход которого подключен к выходу пятого элемента И 20 и шестому выходу 36 схемы управления, а пятый выход дешифратора 28 соединен с входом первого инвертора 23 и седьмым выходом 37 схемы управления.

Принцип работы устройства измерения параметров полупроводниковых приборов с S-образной характеристикой основан на дискретном изменении напряжения на испытуемом приборе, запоминании кодов дискретных значений напряжения, следующих последовательно между собой, записи в регистры и индикации значений соответствующих смене знака их разности в моменты скачкообразного перехода испытуемого прибора из закрытого высокоомного в открытое низкоомное состояние (фиг. 2).

Устройство для измерения параметров полупроводниковых приборов с S-образной характеристикой работает следующим образом.

В исходном состоянии реверсивный счетчик 1 импульсов, регистры 8, 10, 11, 12, 13 и схема 6 управления обнулены. С первого выхода схемы управления тактовые импульсы поступают на вход прямого счета реверсивного счетчика 2 импульсов (фиг. 4а), на выходе которого формируется нарастающий цифровой код, поступающий на вход ЦАП 2. С выхода ЦАП дискретно нарастающее напряжение через нагрузку 3 подается на испытуемый прибор 4. Текущее значения напряжения на испытуемом приборе через повторитель 5 напряжения подается на информационный вход АЦП 7 (фиг. 4в), который запускается передним фронтом синхроимпульсов, поступающих на его управляющий вход с четвертого выхода схемы 6 управления (фиг. 4г). Соответствующий дискретным текущим напряжения на испытуемом приборе цифровой код с выхода АЦП 7 подается на информационный вход первого регистра 8, первый вход цифрового компаратора 9, а также на информационные входы второго 10 и третьего 11 регистров. Запись кода напряжения из АЦП 7 в первый регистр 8 производится по фронту синхроимпульсов, поступающих с третьего выхода схемы 6 управления (фиг. 4д). При этом содержащийся в регистре 8 код, соответствующий значению напряжения на испытуемом приборе на предыдущем такте, передается на второй вход цифрового компаратора 9 и информационные входы четвертого 12 и пятого 13 регистров.

Таким образом, в цифровом компараторе 9 на каждом такте работы осуществляется сравнение цифровых кодов напряжения на испытуемом приборе 4, соответствующих текущему и предшествующему тактам. До достижения напряжением на испытуемом приборе 4 значения U_вкл (фиг. 2) и перехода его в открытое низкоомное состояние значения этого напряжения и соответствующие им цифровые коды в текущих тактах превышают значения напряжения на приборе 4 и эквивалентные им коды в предыдущих тактах (фиг. 4в). При этом на прямом выходе цифрового компаратора фиксируется уровень логического "0", передаваемый на первый вход схемы 6 управления, а на инверсном - уровень логической "1", передаваемый на ее второй вход (фиг. 4е, ж).

По достижении напряжением на испытуемом приборе 4 значения U_вкл происходит его скачкообразный переход в открытое низкоомное состояние, которому соответствует меньшее значение напряжения U_под (фиг. 4в). При этом цифровой код на втором входе цифрового компаратора 9, соответствующий текущему такту работы устройства, меньше передаваемого из первого регистра 8 кода, соответствующего предыдущему такту. В результате на прямом выходе цифрового компаратора 9 и первом входе схемы 6 управления устанавливается уровень логической "1" (фиг. 4е), а на инверсном выходе и соответственно на втором входе схемы управления - уровень логического "0". При этом схема управления прекращает формирование тактовых импульсов на первом, третьем и четвертом выходах, таким образом прерывая прямой счет реверсивного счетчика 1 импульсов (фиг. 4а) и синхронизацию первого регистра 8 (фиг. 4д) и АЦП 7 (фиг. 4г). Одновременно на пятом выходе схемы 6 управления формируется синхроимпульс, подаваемый на управляющие входы второго 10 и четвертого 12 регистров. По переднему фронту этого синхроимпульса (фиг. 4з) происходит запись кодов напряжения U_вкл из первого регистра 8 в четвертый регистр 12 и напряжения U_под из АЦП 7 во второй регистр 10, где осуществляется их хранение до конца процесса измерения. В следующем такте работы устройства начинается цикл измерений параметров (U_отп, U_воз), характеризующих переход испытуемого прибора 4 из открытого состояния в закрытое (фиг. 2). Синхронизация АЦП 7 и первого регистра 8 осуществляется аналогично циклу измерения U_вкл, U_под. В начале цикла первый вход схемы 6 управления закрыт уровнем логического "0", второй активизирован уровнем логической "1" с соответствующих выходов цифрового компаратора 9. Тактовые импульсы с второго выхода схемы управления подаются на вход обратного счета реверсивного счетчика 1 импульсов (фиг. 4б), формируя на его выходе убывающий цифровой код. При этом напряжение на выходе ЦАП 2 и соответственно на испытуемом приборе 4 дискретно убывает от значения U_под (фиг. 4в).

По достижении очередным дискретным значением напряжения на испытуемом приборе 4 величины U_отп происходит скачкообразный переход последнего в закрытое высокоомное состояние, вызывая повышение напряжения на нем до значения U_воз (фиг. 2, фиг. 4в). При этом код напряжения, подаваемый на первый вход цифрового компаратора 9 с выхода АЦП 7 и соответствующий текущему такту работы устройства, оказывается выше записанного в регистр 8 цифрового кода, соответствующего предыдущему такту, и на прямом выходе цифрового компаратора 9 формируется уровень логической "1", а на инверсном - логического "0", которые поступают на соответствующие входы схемы 6 управления, запрещая формирование тактовых импульсов, передаваемых с второго выхода схемы управления на вход обратного счета реверсивного счетчика 1 импульсов, а также импульсов синхронизации первого регистра 8 и АЦП 7 на третьем и четвертом выходах схемы управления (фиг. 4г, д). На шестом выходе схемы 6 управления при этом формируется синхроимпульс, поступающий на управляющие входы третьего 11 и пятого 13 регистров (фиг. 4и), по переднему фронту которого происходит запись в них кодов напряжений U_отп и U_воз с выходов первого регистра 8 и АЦП 7 соответственно. Затем на седьмом выходе схемы 6 управления формируется уровень логической "1", поступающий на управляющий вход блока 14 индикации, разрешая передачу в него и индикацию содержимого регистров 10, 11, 12, 13, т.е. значений U_вкл, U_под, U_отп, U_воз.

Схема 6 управления работает следующим образом. В исходном состоянии на ее первом входе 30 установлен уровень логического "0" (фиг. 4е), на втором 31 - уровень логической "1" (фиг. 4ж), счетчик 27 импульсов обнулен. На первом выходе дешифратора 28 присутствует уровень логической "1", на втором, третьем, четвертом и пятом - уровень логического "0".

Уровень логического "0" с пятого выхода дешифратора 28 инвертируется первым инвертором 23 и на втором входе первого элемента И 16 устанавливается уровень логической "1", разрешая прохождение тактовых импульсов на первые входы второго 17, третьего 18, четвертого 19 и пятого элементов И.

Уровень логической "1" с первого выхода дешифратора 28, подаваемый на второй вход второго элемента И 17, разрешает прохождение тактовых импульсов на первый выход 29 схемы 6 управления (фиг. 4а) и через первый элемент ИЛИ 25 на ее третий выход 33 (фиг. 4д), а также через второй инвертор 24 на ее четвертый выход 34 (фиг. 4г). Одновременно уровень логической "1" с первого выхода дешифратора 28 подается на первый вход шестого элемента И 21, второй вход которого является первым входом 30 схемы 6 управления. Уровнем логического "0", с второго, третьего, четвертого выходов дешифратора 28 подаваемым на вторые входы элементов И 18, 19, 20, последние заперты, запрещая прохождение тактовых импульсов на второй 32, пятый 35 и шестой 36 выходы схемы управления. На седьмой выход 37 схемы управления передается уровень логического "0" с пятого выхода дешифратора 28.

При поступлении на первый вход 30 схемы 6 управления уровня логической "1" (фиг. 4е) он проходит через шестой элемент И 21 на первый вход второго элемента ИЛИ 26, при этом логическая "1" с его выхода вызывает переход счетчика 27 и дешифратора 28 в новое состояние, когда на первом, третьем, четвертом и пятом выходах последнего устанавливается уровень логического "0", а на втором выходе - уровень логической "1". Уровнем логического "0" с первого выхода дешифратора 28 запирается второй элемент И 17, запрещая прохождение тактовых импульсов на первый 29, третий 33 и четвертый 34 выходы схемы 6 управления (фиг. 4а, г, д).

Уровень логической "1" с второго выхода дешифратора 28 поступает на второй вход третьего элемента И 18, разрешая прохождение тактового импульса на пятый выход 35 схемы 6 управления (фиг. 4з). Этот же тактовый импульс с выхода третьего элемента И 18, поступая на третий вход второго элемента ИЛИ 26 и далее с его выхода на вход счетчика 27 импульсов, переводит его и дешифратор 28 в новое состояние, которому соответствуют уровни логического "0" на первом, втором, четвертом и пятом выходах и уровни логической "1" на третьем выходе дешифратора.

Уровень логической "1", поступая с третьего выхода дешифратора 28 на второй вход третьего элемента И 19, разрешает прохождение тактовых импульсов на второй выход 32 схемы 6 управления и через первый элемент ИЛИ 25 и второй инвертор 24 соответственно на третий 33 и четвертый 34 выходы схемы управления (фиг. 4 б, г, д). Одновременно уровень логической "1" с третьего выхода дешифратора 28 поступает на первый вход седьмого элемента И 22, второй вход которого является вторым входом 31 схемы управления. При поступлении на второй вход 31 схемы управления и соответственно на второй вход элемента И 22 уровня логической "1" (фиг. 4ж) он передается на второй вход второго элемента ИЛИ 26 и далее на вход счетчика 27 импульсов, переводя его и дешифратор 28 в очередное состояние логического "0" на первом, втором, третьем и пятом выходах и логической "1" на четвертом выходе последнего.

Уровень логического "0" с третьего выхода дешифратора запирает третий элемент И 19, запрещая прохождение тактовых импульсов на второй 32, третий 33 и четвертый 35 выходы схемы 6 управления (фиг. 4 б, г, д).

В то же время уровень логической "1" с четвертого выхода дешифратора 28 поступает на второй вход пятого элемента И 20, разрешая прохождение тактового импульса на шестой выход 36 схемы управления (фиг. 4и). Этот же тактовый импульс с выхода пятого элемента И 20 поступает на четвертый вход второго элемента ИЛИ 26 и далее на вход счетчика 27 импульсов, переводя его и соответственно дешифратор 28 в следующее состояние логического "0" на первом, втором, третьем и четвертом и логической "1" на пятом выходах. Уровень логической "1" с пятого выхода дешифратора поступает на вход первого инвертора 23, с выхода которого уровень логического "0" поступает на второй вход первого элемента И 16, запрещая прохождение тактовых импульсов с генератора 15 на все выходы схемы 6 управления. На седьмом выходе 37 схемы управления в соответствии с состоянием пятого выхода дешифратора 28 при этом устанавливается уровень логической "1" (фиг. 4к).

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет измерять большее число параметров испытуемого полупроводникового прибора, что расширяет функциональные возможности устройства и сужает номенклатуру измерительного оборудования на операциях контроля, что, в конечном итоге, снижает затраты на проведение контроля параметров приборов с S-образной ВАХ.

Время нахождения прибора в открытом состоянии при максимальных значениях тока сокращается до периода следования тактовых импульсов, что облегчает режим измерения и исключает деградацию испытуемого прибора в процессе контроля, повышая таким образом срок его службы и надежность, уменьшая экономические потери от отказов приборов с S-образной ВАХ в радиоэлектронных устройствах.

Преобразование информации и параметров испытуемого прибора в цифровой вид и цифровой метод формирования, подаваемого на прибор напряжения, создают возможность автоматизации процессов измерения и обработки измерительной информации, повышая производительность операций контроля, что ведет к снижению технологической себестоимости и улучшению условий труда операторов.

Использование: исследование и измерение параметров приборов с S-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Сущнось изобретения: характерные точки ВАХ в автоматическом режиме заносятся в регистры и индицируются. Выделение характерных точек производится с помощью цифрового компаратора. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ С S-ОБРАЗНОЙ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ, содержащее генератор напряжения, выход которого через нагрузку соединен с узлом подключения испытуемого прибора и входом повторителя напряжения, блок управления и счетчик импульсов, отличающееся тем, что оно снабжено аналого-цифровым преобразователем, пятью регистрами, цифровым компаратором и блоком индикации, генератор напряжения выполнен в виде цифроаналогового преобразователя, вход которого подключен к выходу счетчика импульсов, выполненного реверсивным, причем счетные входы счетчика соединены с первым и вторым выходами блока управления, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы которого соединены с управляющим входом первого регистра, с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, с управляющими входами второго и четвертого регистров, с управляющими входами третьего и пятого регистров и с управляющим входом блока индикации соответственно, информационный вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу повторителя напряжения, выход аналого -цифрового преобразователя подключен к информационным входам первого, второго и третьего регистров и к первому входу цифрового компаратора, выход первого регистра подключен к информационным входам четвертого и пятого регистров и второму входу цифрового компаратора, прямой и инверсный выходы которого соединены с входами блока управления, а выходы второго, третьего, четвертого и пятого регистров соединены с информационным входом блока индикации. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления выполнен в виде генератора тактовых импульсов, семи элементов И, двух инверторов, двух элементов ИЛИ, счетчика импульсов и дешифратора, причем выход генератора тактовых импульсов соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого инвертора, выход первого элемента И соединен с первыми входами второго, третьего, четвертого и пятого элементов И, выход второго элемента И соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и первым выходом блока управления, второй вход второго элемента И подключен к первому выходу дешифратора и первому входу шестого элемента И, второй вход и выход которого соединены соответственно с первым входом блока управления и первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу счетчика импульсов, выход которого соединен с входом дешифратора, второй и третий выходы которого подключены соответственно к второму входу третьего элемента И, второму входу четвертого элемента И и первому входу седьмого элемента И, второй вход и выход которого соединены с вторыми входами блока управления и второго элемента ИЛИ, четвертый выход дешифратора подключен к второму входу пятого элемента И, выход четвертого элемента И подключен к второму выходу блока управления и второму входу первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим выходом блока управления и входом второго инвертора, выход которого соединен с четвертым выходом блока управления, выход третьего элемента И соединен с пятым выходом блока управления и третьим входом второго элемента ИЛИ, четвертый вход которого подключен к выходу пятого элемента И и шестому выходу блока управления, а пятый выход дешифратора соединен с входом первого инвертора и седьмым выходом блока управления.