СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО ДВУХПОЛЮСНИКА С ТЕМПЕРАТУРОЗАВИСИМОЙ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ Российский патент 2015 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к технике измерения параметров нелинейных элементов электрических цепей с температурозависимой вольт-амперной характеристикой (ВАХ) и может быть использовано, например, при параметрическом контроле полупроводниковых диодов и полупроводниковых приборов с р-n-переходами.

Известен способ измерения дифференциального сопротивления полупроводниковых диодов (см. ГОСТ 18986.14-85 Диоды полупроводниковые. Методы измерения дифференциального и динамического сопротивлений), заключающийся в подаче постоянного тока I₀ для задания рабочей точки и переменного гармонического тока малой амплитуды I_m в качестве тестового сигнала на калибровочный резистор сопротивлением R_K, в измерении амплитуды U_mк переменного напряжения на калибровочном резисторе, в подключении к генератору тока вместо калибровочного резистора контролируемого диода и в измерении амплитуды U_mд переменной составляющей напряжения на контролируемом диоде и определении дифференциального сопротивления диода по формуле $${R_{диф}|}_{I_{и}}=\left(U_{mд}/U_{mк}\right)R_K.$$

Условием точного измерения дифференциального сопротивления нелинейных двухполюсников является малость тестового сигнала. В ГОСТ 18986.14-85 условие малости тестового сигнала задается в виде ограничения амплитуды переменного тока, которая не должна превышать 10% значения постоянного тока.

Недостатком известного способа является большая погрешность, обусловленная саморазогревом p-n-перехода диода в процессе измерения рассеиваемой мощностью.

Известен способ определения дифференциального сопротивления температурозависимых двухполюсников по наклону изотермической ВАХ, измеренной в импульсном режиме путем подачи на контролируемый двухполюсник последовательности импульсов тока с нарастающей амплитудой, и в измерении амплитуды импульсов напряжения на контролируемом двухполюснике (см. Аронов В.Л., Федотов Я.А. Испытание и исследование полупроводниковых приборов. - М.: Высшая школа. - 1975. - С.777). Способ измерения изотермической ВАХ путем подачи последовательности импульсов тока с линейно нарастающей амплитудой реализован ряде современных параметрических анализаторов (см., например, Keithley 420 SCS Parameter Analyzer: www.keithley.ru/products/semiconductors/dcac/carrentvoltage/420scs).

Недостатком способа является низкая точность, обусловленная большой погрешностью однократного измерения импульсного напряжения на контролируемом двухполюснике и необходимостью вычисления разности двух близких по значению напряжений. Известно, что погрешность разности двух близких по значению физических величин, измеренных даже с небольшой погрешностью, во много раз превышает погрешность измерения каждой из величин.

Технический результат - повышение точности измерения дифференциального сопротивления нелинейных двухполюсников с температурочувствительной ВАХ.

Технический результат достигается тем, что в известном способе, состоящем в подаче на контролируемый двухполюсник последовательности коротких импульсов тока большой скважности с изменяющейся амплитудой и измерении амплитуды импульсов напряжения на контролируемом двухполюснике, амплитуду импульсов тока изменяют по гармоническому закону с заданной частотой Ω со средней амплитудой I_и и глубиной модуляции M, на частоте модуляции Ω измеряют амплитуду U_m огибающей импульсного напряжения на контролируемом двухполюснике и дифференциальное сопротивление рассчитывают по формуле $${R_{диф}|}_{I_0}=U_m/M{I}_{и}.$$

Формы сигналов на контролируемом двухполюснике, иллюстрирующие и поясняющие принцип измерения, показаны на фиг.1. При подаче на контролируемый двухполюсник амплитудно-модулированной по гармоническому закону последовательности импульсов тока импульсное напряжение на контролируемом двухполюснике будет также амплитудно-модулированным по закону, близкому к гармоническому, со средней амплитудой U_и, при этом, если глубина M модуляции импульсов тока мала, амплитуда U_m огибающей импульсного напряжения на контролируемом двухполюснике будет пропорциональна дифференциальному сопротивлению двухполюсника $$U_m=M{I}_{и}{R_{диф}|}_{I_{и}}.$$ При малой длительности τ_и и большой скважности Q_и импульсов тока разогревом активной области контролируемого двухполюсника рассеиваемой мощностью можно пренебречь. Сущность изобретения состоит в том, что при амплитудно-импульсной модуляции тестовых импульсов тока и последующем измерении полезного сигнала на частоте модуляции за счет частотной фильтрации и многократного повторения измерительного сигнала существенно уменьшаются шумы и пульсации источника питания и измерительных цепей, что повышает помехоустойчивость способа и снижает погрешность измерения дифференциального сопротивления контролируемого двухполюсника по сравнению с известными способами.

Выбор временных параметров тестового сигнала, то есть длительности τ_и и скважности Q_и импульсов тока, определяется теплофизическими параметрами двухполюсника: тепловой постоянной времени τ_T и тепловым сопротивлением R_T. Для полупроводниковых приборов характерная тепловая постоянная времени кристалла составляет сотни микросекунд и длительность импульсов тока рекомендуется выбирать не более 100 мкс. Приращение температуры активной области полупроводникового прибора в импульсном режиме при малой глубине модуляции определяется по формуле ΔT=R_TU_иI_и/Q_и, то есть в Q_и раз меньше, чем в статическом режиме. В большинстве практических случаев при тех параметрах электрического режима, при которых измеряются характеристики полупроводниковых приборов, перегрев их активной области в статическом режиме не превышает 40-50°C и уже при скважности Q_и>30 перегрев активной области контролируемого двухполюсника в импульсном не будет превышать 1-2°C. Заметим, что частота модуляции Ω последовательности импульсов тока согласно теоремы Котельникова должна выбираться из условия Ω<(1/4τ_иQ_и).

Структурная схема устройства, реализующего способ, показана на фиг.2, а эпюры, поясняющие работу устройства, - на фиг.3.

Устройство содержит клеммы 1 для подключения контролируемого двухполюсника, генератор импульсов тока 2, генератор низкой частоты 3, модулятор 4, демодулятор 5 и селективный вольтметр 6. При этом одна из клемм для подключения контролируемого двухполюсника соединена с общей шиной (землей) устройства, а вторая клемма - с выходом модулятора 4, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора импульсов тока 2, а модулирующий вход модулятора соединен с выходом генератора низкой частоты 3, вторая клемма для подключения контролируемого двухполюсника соединена также со входом демодулятора 5, выход которого подключен ко входу селективного вольтметра 6.

Устройство работает следующим образом. После подключения контролируемого двухполюсника к клеммам 1 и подачи сигнала пуск на генератор импульсов тока 2 и генератор низкой частоты 3 на входы модулятора 4 поступает последовательность коротких импульсов тока большой скважности и модулирующее гармоническое напряжение заданной низкой частоты, с выхода модулятора амплитудно-модулированная последовательность импульсов тока со средней амплитудой I_и и глубиной модуляции M (фиг.3а) подается на контролируемый двухполюсник, импульсное напряжение на контролируемом двухполюснике, которое также является импульсно модулированным (фиг.3б) подается на вход демодулятора 5 и с выхода демодулятора огибающая импульсного напряжения (фиг.3в) поступает на вход селективного вольтметра 6, настроенного на частоту модуляции. По показанию A_пок селективного вольтметра определяем амплитуду U_m огибающей импульсного напряжения по формуле U_m=kA_пок, где коэффициент k определяется типом преобразователя переменного напряжения в постоянное селективного вольтметра, и далее рассчитываем дифференциальное сопротивление контролируемого двухполюсника по формуле

$${R_{диф}|}_{I_{и}}=U_m/M{I}_{и}.$$

Заметим, что если глубину М модуляции тока при заданной средней амплитуде импульсов тока задать в выбранной системе единиц из условия MI_и=k×10ⁿ, где n - целое число, то показания селективного вольтметра будут равны дифференциальному сопротивлению контролируемого двухполюсника.

Изобретение относится к технике измерения электрических параметров нелинейных элементов цепей с температурозависимой вольт-амперной характеристикой, в частности полупроводниковых приборов, и может быть использовано на выходном и входном контроле их качества. Подают на контролируемый двухполюсник последовательность коротких импульсов тока большой скважности с изменяющейся амплитудой и измеряют амплитуды импульсов напряжения на контролируемом двухполюснике. При этом амплитуду импульсов тока изменяют по гармоническому закону с заданной частотой Ω со средней амплитудой I_и и глубиной модуляции М. На частоте модуляции Ω измеряют амплитуду U_m огибающей импульсного напряжения на контролируемом двухполюснике и дифференциальное сопротивление рассчитывают по формуле $${R_{диф}|}_{I_{и}}=U_m/M{I}_{и}.$$ Технический результат заключается в повышении точности измерения дифференциального сопротивления нелинейного двухполюсника с температурозависимой вольт-амперной характеристикой. 3 ил.

Способ измерения дифференциального сопротивления нелинейного двухполюсника с температурозависимой вольт-амперной характеристикой, состоящий в подаче на контролируемый двухполюсник последовательности коротких импульсов тока большой скважности с изменяющейся амплитудой и измерении амплитуды импульсов напряжения на контролируемом двухполюснике, отличающийся тем, что амплитуду импульсов тока изменяют по гармоническому закону с заданной частотой Ω со средней амплитудой I_и и глубиной модуляции M, на частоте модуляции Ω измеряют амплитуду U_m огибающей импульсного напряжения на контролируемом двухполюснике и дифференциальное сопротивление рассчитывают по формуле
$${R_{диф}|}_{I_{и}}=U_m/M{I}_{и}.$$