Устройство для измерения координат термостабильной точки полевых транзисторов Советский патент 1980 года по МПК G01R31/26 

пульсов, соединенный с логическим элементом ИЛИ, а также делительное устройство и реГистрирукндий прибор, подключённый к вькбду логйчёелего элемента ИЛИ, при этом генератор импульсов подключен к первому и второму синхронным детекторам и пропорцйЪнальномумодулятору, выход преобразователя параметр-напряжение соединен со входами первого и второго синхронных детекторов, выход первого детектора подключен .непосредственно к однсялу из входов, а выход второго детёкторй чёрёз первый ;аттёнМт6р ко второму входу первого сравниваюiuefo устройства, выход которого соединен с пропорциональньм модулятором,, подключенным к клемме затвора поле- вого. транзистора, первыми входами третьего и четвертого синхронных детекторов и первым вычитагацим устройством, выход которого соедй.нен с. пер выйи входами пятого и шестого синхронных детекторов, а- второй вход - tepe3 второй аттенюатор подключей к клемме истока полевого транзистора,

которая соединена с выходом второго сравнивающего устройства, срответствую 4ие входы которого подключены к

выходам второго синхронного детектора и блока напряжений смещения, вто рае йхбйы треть его и пятого синхронных детекторов подключены к выходу генератора - формирователя импульсов а четвертогр и шестого - к выходу лот Гичёского элемента ИЛИ, выходы пятогр к LiecToro с инхронных детекторов сое-дйнёны с соответствующими; входами второго вычитающего устройства 2. . Данное усаройст1во также не oeecnefчивает высокой точности и йроизводитёль ности Иэмёрёнйй, в следствие 6т-г меченных выше причин.

Цель предлагаемого изобретеодя повытлёние точности и автсяиатизаЦйй

измерений, ., „,,„..,./,..-.-- Пост авленная ueTib до стйгаетс я тём|, что в устройство введены третий и Четвертый аттенюаторы, третье сравни.вающёе устройство, КЗ-триггер, функциональный преобразоватёль и масштабный усилитель, причем вькод третьего Синхронного детектора соединен непосредственно с одним из входов, а выход четвертого детектора через третий аттенюатор -- со вторым входом третьего рравниваквдего устройства, соединенного с R-входом RS-триггера, которого подключен к выходу г-ейератора - формирователя импульсов;. а выход - ко второму входу логическо|.го.элемента ИЛИ и системе транспортировки исследуемого элемента, выход пятого синхронного детектора соединен непосредственно с одним из входов, а выход шестого детектора через, четвертый аттенюатор - со вторым вхог дом третьего вычитакяцего устройства, подключенного к регистрирующему прибору, выход третьего синхронного детектора соединен непосредственно с одним из входов, а выход второго вычитающего устройства через функциональный преобразователь - со вторые входом делительного устройства, выход которого через масштабный усилитель ,сЪпряженный с преобразователем параметр-напряжение, подключен к регистрирующему прибору, который соединен с функциональным преобразователем, третьим вычитающим устройством .и четвертым аттенюатором. Известно, ЧТО

5иoтc Циотс

(

ЗИЗИ

11 -I (

5

зиоте эиото

(2)

зиЛ л/. л.

1-М.(м

4-52(

w

I & 1 SV

-напряжение затвор-исток полевого транзистора соответствующее термостабильной точке исследуемой характеристики;

М-- степень aппpoкcимиps oщeгo полинома характеристик управления полевого транзистора х - 1 - для характеристик крутизны (UJU)B усилительном режиме и проводимости канала (UJK) в режиме управляемого сопротивления и Jt - 2 - для сток-затворных характеристик; 5

, из«яеи (Ози ). - напржения о тсечки и произвбдные крутизны по напряжению затвор-исток Uju в одной из точек характеристики крутизны при двух значениях температуры окружающей среды, соответственно, t и . . . . . .,- :,

PCUjnJ - ордината термостабильной точки в соответствующих единицах измерения исследуемых характеристик полевого-транзистора.

Переходя к конечным приращениям и выполняя в процессе измерений условие

&S ДЗ , , (3) выражения (1) и (2) представляем в ..общем виде:

ДГ) L зиaтtl

-е I

« s(u,,,- . -«

JHOTc jHOTr - 5)

p u3HoV,;ie

0-k)« 7ди, К АЬи При изменение температуры сжружа щей среды в относительно не широких пределах этот коэффициент (6) может Сцлтъ принят равным 1,25; S ( ) - одна из отсчетных точе характеристики крутизны при определении производной, соответствукядая, например, пределу измеренид крутизны;. - коэффициент связи между крутизной и прирашением крутизны (при измерениях может быть принят, равнм двум). Таким образом, для измеряемых координат, соответственно, характеристик крутизны, проводимости KBHajt и сток-затворной можно записать: scu,;) , IcW.Hoic JMffTC JMOTC Предлагаемое устройство в автоматическом режиме производит измерение напряжения отсечки и приращения напряжения, пропорционального производной при двух значениях темпёрату ры, при .которых автоматически выполняются условия (3) и (6) и, в соответст ВИИ с (4) и (5), определяет исксмйе координаты, обеспечивая выИ.грыш в точности и быстродействии измерений. На фиг. 1 представлена (труктурная схема предлагаемого устройства для измерения координат термостабиль ной точки полевьвс транзисторов; на фиг. 2 - характеристики крутизны при двух значениях температуры окружающей среды, поясняющие принцип из1мерений; на фиг. 3 - диаграммы, поясняющие принцип работы устройства. Устрой9тво (фиг. 1) содержит ряд функциональных систем. Исследуемый транзистор 1, преобразователь 2 лараметр-напряжение, первый и второй синхронные детекторы 3 и 4 и пропорциональный модулятор 5, управляемые генерат-ором 6 импульсов, а также пер вый аттенюатор 7 с коэффициентом затухания, равный двум, и первое сравнивающее устройство 8 образуют систе му измерения производной крутизны .по н- зпряжению затвор-исток полевого транзистора. Второй аттенюатор 9, соединенный с клеммой истока полевого транзистора 1 и имеющий коэффициент затухания, равный двум, и первое вычитакцее устройство 10 обеспе- : чивают непосредственный отсчет напряжения отсечки. Источник 11 напряжений смещения и второе сравнивающее устройство 12, соединенное с клеммой затвора транзистора 1, образуют сиет&лу стабилизации крутизны в сщной из точек исследуемой характеристики независимо от влияния температуры окружающей ореды, которая позволяет автоматически выполнить условие (3). Двухкамерный термостат 13 с системой транспортировки 14 исследуо лого элемента из одной камеры в другую, третий и- четвертый си нхронные детекторы 15 и 16, третий аттенюатор 17, третье сравнивающее устройство 18 и RS-триггер 19, входящие в состав систо;1ы модуляции по температуре параметров полевого транзистора, позволяют при измерениях авто1атически устанавливать: заданное соотнсхиение производных (6), например К - 1,25. Пятый и шестбй .синхронные детекторы 20 и 21, второе вычитающее устройст во 22, функциональный преобразователь 23, делительное устройство 24 и масштабный усилитель 25 представляют собой канал измерения opAHHatu а четвертый аттенюатор 26 и третье вычитающее устройство 27 - канал измерения напряжений затвор-исток, соответствующих термостабильной точке исследуемых характеристик полевого транзистора 1, которые в соответствии с уравнениями (4) и (5) произво- дят обработку поступаквдей информации об измеряемых величинах с последующей передачей для индикации на регистрирующий прибор 28. Для синхронного изменения коэффициента передачи четвертого аттенйатора 26 и третьего вычитаЮ1щего устройства 27 в соответствии с выражениями (7) и (8), а также режима работы функционального преобразователя; 23, пЁ ейставляюЩего в одном случае линейный повторитель, а во втором - квадратор напряжений, и размерности индицируемый величин регистрирующего прибора 28 в соответствии с уравнениями (9) и (10), управлякадие оргаяы указанных структурных блоков сопряжены. Для автоматической коррекции показавий регистрирукяцего прибора 28, связанных с пределом измерения крутизны (множитель S(Ujj,) в формулах (9) и (10) , управляющие органы преобразователя 2 параметр-напряжение и масштабного усилителя 25, осуществ ляющие изменение их коэффициентов передачи, также сопряжены между собой. Управление всеми системами устройства производится с помощью генератора-фО1 Шрователя 29 запускающих импульсов и логического элемента ИЛИ 30. При подключении к иэмерительньм клеммам устройства полевого тра 1эистора 1, его рабочая точка окаэьшается сметенной в. область максимума кру 1иэны исследуемой характеристики под влиянием большого разностного сигнаШ7ёозйй1 аюй;его в сравнйвайщем устройстве 12 за счет опорного на пряягения источника 11 и отсутствующего в данный момент напряжения синхронного детектора 4, что способствует образовании напряжений на выходах преобразователя 2 параметр-напряжение и синхронных детекторов 3 и 4 в резуль тате непрерывной работы генератора б Выходное напряжение детектора 4, пре ед олев а я в с рав нив ающ ем устройстве 12 опорное напряжение источника 11 переводит рабочую точку полевого транзистора1 на участок характеристинй, определяемый начальными услови ями С последующей стабилйзицйёйЁ установившиеся режиме крутизны S ( (фиг, 2) с заданной точностью, независимо, отвлияния различных факторов Sa счет изтиенения напряжения смещения , одновременное этим выходное напряжение детектора 4, ослаблен ное аттенюатором 7 в соответствующее раз, сравнивается с полним напряжением детектора 3 в устройстве 6 Результат сравнения, усиленный в этст же устройстве, а затем преобразованный в пропорциональном модуляторе 5 в импульсное напряжение прямоугольной формы uUjvi f воздействуя на ,Г 8аЭ лвает модуляцию крутизныпоЛевого транзистора, при этом на выходе преобразователя 2 образуется Йййрй ёниё; пропорциональное глубине модуляции крутизны ДЗ (фиг. 2). В дальнейшем это напряжение с омощью .синхронных детекторов 3 и 4 разде;ляетея по временному принципу с последующим накоплением информации в -виде напряжений, соответствующих мак симальному S (tij, ). и минимальному .S (UsH ) значениям крутизны транзистора в пределах модулирующего воздействия. Таким образом, при выборе .необходимых начальных условий работй детекторов 3, 4 и модулятора 5, синхрониэм которых обеспечивается гене- раторсм 6 импульсов, данйая система авторегулировки приходит в равновес- йоё ёОс тсэянйе, нёп1рёраЁнО подде(рйивая постоянной, с заданной степенью точности,и е соответствии с уровнем затухания аттенюатора 7, глубийу MOv дуляции крутизны транзистора 1, независимо от действия различных факторов, за счет изменения входного воздействия АОзи несущего информацию о производной крутизны исследуемой характеристики. Напря.жение смещения UIM определенной полярности, поступающее с выхода сравнивающего устройства 12 и ослабленное в два раза аттенюатором 9, вычитается в устройстве 10 с выходным напряжением сравнивающего устройства 8, а затем усиливается в два раза, образуя напря- . жение отсечкой UJHOTC исследуемого транзистора (фиг, 2), которое поступает для дальнейшей обработки на синхронные детекторы 20 и 21. Одновременно с ним выходное напряжение сравнивающего устройства 8, соответ.ствукщее производной крутизны ЛОзи / воздействует на информационные входы синхронных детекторов 15 и.16. К рассматриваемс лу моменту времени полевой транзистор 1, находясь в одной из камер термостата 13, определяемой состоянием RS-триггера 19 при начальных условиях, приобрел температуру кристалла. t° (фиг. За), и под влиянием управляющего импульса (фиг/ 36) rekepak-opa-формирователя 29, воздействующего на управляющие входы синхронных детекторов 15 и 20 непосредственно, а 16 и 21 - через логический элемент ИЛИ 30, в детекторах 15 и 16 накопилась информация о производной проводимости ЛUjH , а в детекторах 20 и 21 - о напряжении отсечки г соответствующих характеристике крутизны полевого транзистора при температуре t° (фиг. 2). При этсм полное выходное напряжение цетектора 15 и ослабленное в К раз (6), напряжение детектора 16 полностью определяют начальное состояние сравнивающего устройства 18. По окончанию управляющего импульса (фиг. 36), длительность которого зависит от времени установления переходных процессов в рассмотренных системах авторегулировок, синхронные детекторы 15 и 20 переходят в режим хранения информации, а RS-триггер 19, п,олучая по S-входу перепад напряжения - в единичное состояние и формирует импульс (фиг. Зв), который, воздействуя на систолу транспортировки 14 и логический элемент ИЛИ 30, перемещает исследуемый транзистор 1 в другую камеру термостата 13 с температурой и продолжает сохранять прежний режим работы синхронных дететсторов 16 и 21 (уп.равляющие импульк сы на фиг. Зг). По .мере прогрева транзистора 1 (фиг. За) изменяется йаклОн исследуемой характеристики (фиг. 2), при этом системы стабилизации крутизны S (UjH ) и глубины Monyh ляции крутизны д5, стремясь воспрепятствовать изменению этих параметров, вызывают изменения напряжения смещения и модулирующего воздействия , что приводит к HenpeiMJBHOMy на накоплению информации о производной крутизны и напряжении отсечки раздел но в синхронных детекторах 16 и 21. Изменяющееся напряжение детектора 21 обрабатывается в соответствии с выра жением (4) в канале измерения напряжений затвор-исток, соответствующих термостабильной точке исследуемых ха рактеристик, т.е. ослабляется в заданное число раз в аттенюаторе 26 и вычитается в устройстве 27 с храни-мым напряжением детектора 20 с после дующим необходимым усилием. Одновременно с этим в канале измерения ординат в соответствии с формулой (5) выходные напряжения детекторов 20 и 21 вычитаются в устройстве 22, а полученна я разность после обработки в функциональном преобразователе 24 подвергается делению на напряжение детектора 15 в устройстве 24 и преобразованию в масштабном усилителе 25i Спустя некоторое вр&ля изменяющееся напряжение детектора 16 Дости. гает такой величины, при которой на вьаходе аттенюатора 17 образуется напряжение в точности соответствующее значению напряжения, хранимс лу в детекторе 15 (соотношение напряжений 1,25, показанное на фиг. За). При, . данных условиях сравниванвдееустр ой. ство 18 формирует на своем выходе перепад напряжения и воздействует . им на R-вход RS-триггера 19, который возвращаясь в исходное состояние, заканчивает формирование управляющего импульса (фиг. Зв) , переводя itdсреяствсм логического элемента ИЛИ 3 синхронные детекторы 16 и 21 в режим хранения накопленной информации о производной диj и напряжении отсечки Озиого г соответствующим температуре t° (фиг. 2) , и,, воздействуя на систему 14 транспортировки, возвращает ее в исходное состояние, при изымается старалй и подключается к измерительным клеммам устройства новый транзистор, находящийся в первой камере термортата и успевший §аблаговременно прогреться до температуры t, и измерительное устройство подготавливается к новому циклу измерений. Отрицательный перепад напря жения, образовавшийся на выходе логичёскрго элемента ИЛИ 30, разреаает регистрирующему прибору 28 индикацию выходнЕлх напряжений вычитающего устройства 27 и масштабного усилителя 25, которое к данному моменту време ни оказываются точно срответствующи ми координатами измеряемым характеристик. Для получения отсчёта координат других характеристик изменяют одновременно коэффициенты передачи аттенюатора 26 и устройства 27 в соответствии с выражениями (7) или(8), а также режим работы функционального преобразователя 23 и размерность инцицируемых величин регистрирующего прибора 28 в соответствии с фор 1улам (9) или (10) (эта операция может выполняться -автоматически) , при этом не требуется заново производить цикл измерений параметров одного и того же транзистора. Выбор предела измерения КРУТИЗНЫ S(UJH) при исследовании одного и того же транзистора, на показаниях регистрирующего прибора 28 не должен оказаться так как при изменении коэффициента передачи преобразователя автоматически подстраивается величина UJи , входящая в йыражения (9) и (10) , и одновременно корректируется коэффициент передачи масштабного усилителя так, что соотS(Цаи ) ношение остается постоянным. Спустя некоторое предельно короткое, но достаточное для установления показаний регистрирующего.прибора 28., время (индикация измеряемых координат предыдущего транзистора может производиться во время измерения параметров последукадего транзистора) CHOBa срабатывает генератор-фор 1ирователь 29 и процессы в измерительном устройстве периодически повторяются описанным выгле способом, производя измерения координат термостабильной точки характеристик управления все новых и новых транзисторов. Предлагаемое устройство выгодно отличается от известных повышенной точностью и быстродействием. Выигрыш в точности измерений заключен, прежде всего, в методе определения координат. Существующая функциональная связь между характеристиками крутизны и сток-затворной позволило перейти от нелинейных (сток-затворных) к линейным (крутизны, проводимости канала) характер1истикам полевого транзистора и с их пся-ющью достаточно точно измерить напряжениеотсечки и производную крутизны, а затем по установленным связям (4) и (5) определить координаты как линейных, так и нелинейных характеристик. Количественной оценкой выигрыша в данном случае будет являться отношение угловых коэффициентов относительного изменения соответствуквдих параметров полевого транзистора в термостабильной точке, которые можно представить в общем виде: где к и б - температурные коэффициенты составляющих дрейфа параметров полевых транзисторов, обусловленных, соответственно, относительной подвижностью носителей заряда в канале и контактной разностью потенциалов между затвором и каналом.

- Д1Дгдыьу,ПриЙёййя данное Соотношение для -ts 6flrwg S щЖ sparfёpйcfйку ие НШЬзуемш определении кЪординаТ, пШУчаем звыигрйш в точности измерений:/-bSiet ,У;5г;1- и в действительности же, учитывая субъектввйый характер отсчета координат с графического изображения, получаемого известньлии методами с по .мощью характериографа, и возможность получения обсчета измеряемых парамет пр:ейложенным методом с псмощью цифрового табло, вйигрыш в точности измерений будет значительно выше. Проведенный нами анализ погрешностей показывает-, что среднеквадрагическая погрешность измерения координат может быть получена в пределах ,1 - 0,5)% в зависимости от вида исследуемых характеристик, Количественную оценку выигрыша в быстродейст вии измерений можно получить, аналиЗИ:РУЯ Фиг. За. Для того, чтобы определить координаты с помощью известно го Устройства, необходимо время для Й1мёнёнйя температуры кристалла по йШдго трАНзистьра, равное, как минимум, 3-4 тепловым постоянным переход-среда t, так как только после ТакогО промежутка времени можно утвеЕ ждать, что температура кристалла устанбвилась и параметры транзистора не изменяются, следует также иметь feBiiflyi fo ёпловая постоянная транзистора, даже не заключенного в кор йгусТ съетавляет десятки секунд. Для того, чтобы определить координаты с псмощью предлагаемого уст рНйствТ необходимо гбШ зд о1б1ё ьШв времени, чем тепловая постоянная ,, , транзистора. Это обусловлено тем, что нет необходимости ждать пока кг исталл транзисто15а достигнет темпе ратуры второй камеры термостата. Здесь важуо то, чтобы параметры тран зистОЕй изменились под влиянием температуры на необходимую величину(например, угловой коэффициент, так как Г115 5йзв6дная, характеристики крутизны должны измениться на 25%). Повышая рйзность температур в камерах термостата, необходимое изменение парамет ров может быть достигнуто за весьма :короткое время, однако, его минималь ное.значение должно, быть согласовано с 11й ерЦиОнносТью систем авторегулировки измерительного устройства, вре мя установления которых Не трудно по лучить менее одной секунды. ТаГк тл 6б°ра 3 6м,1выйгрыш в БыстрЬдействии, который обеспечиваетпредлагаемое устройство по срав 1епию с лучйгимй автоматизироваНньа 1и устройствами, может составлять, как минимум, несколько десятков раз, а время измерения не превышать, по меньшей мере, тепловой, постоянной переход-среда бескорпусного транзистора Формула изобретения Устройство для измерения координат термостабильноП точки полевых транзисторов, содержащее двухкамерный термостат с системой, транспортировки исследуемого прибора из одной камеры в другую, преобразователь параметр-нап ряжение, соединенный с исследуемым прибором, генератор импульсов, шесть синхронных детекторов, два сравнивающих и три вьтитающих устройств, два аттенюатора, пропорциональный модулятор, источник напряжений смещения и генератор-формирова.тель запускающих импульсов, соединенный с логическим элементом ИЛИ, а также делительное устройство и регистрирующий прибор, подключенный к выходу логического элемента ИЛИ, при ётом генератор импульсов подключен к первому и в-торому синхронным детекторам и пропорциональному модулйТСру, выход преобразователя па раметр-напряжение соединен со входами первого и второго синхронных дётектОрбв, выход первого детектора подключен непосредственно к одному из входой, а выход второго детектора через первыйаттенюатор ко второму входу первого с;15а йнивакяаегб устройСтва, выход которого соединен с пропорциональным модулятором, подключенным кклемме затво{5а полевого транзистора, первыми входами третьего и четвертого синхронных детекторов и первым вычитающим устройством, выход которого соединен с первьм входами пятого и шестого синхронных детект.Оров, а второй вход - через второйГаттенюатор подключен к клейме истока полевого транзистора, которая соединена с выходом второго сравнивающего устройства, входы которого подключены соответственно к выходам Второго синхронного детектора и источника напряжений смещения, вторые входы третьего и пятого синхронных детектороВ подключены к выходу генератбра-формирователя импульсов, а четвертого и шестого -:к выходу логическс}го элемента ИЛИ,выходы пятого и шестого синхроннах детекторов соединены с соответствующими входами вTopord вычитающего устройства, о тличающеес я тем, что, с целью повышения точности и автоматизации, измерений, в него введены третий и четвертый аттенюаторы , третье сравнивающее устройство., RS-триггер, функциональный преобразователь и масштабный усилитель, причем выход третьего

синхронного детектора соелинен непосредственно с одним из входсш, а выход четвертого детектора череэ аттенюатор - со вторым входом третьего сравнивающего устройства, соединенного с R-вхоцом RS-триггера S-вход которого подключен к выходу генератора, - формирователя импульсов, а выход - ко второму входу лЪгигческого элемента ИЛИ и системе трансг портировки исследуемого элемента, вы)ход пятого синхронного детектора соег динен непосредственно с одним из , а выход шестого детектора через четвертый аттенюатор - со вторым вхо дом третьего вычитающего усзтройства, подключенного к регистрирующему прибору, выход третьего синхронного детектора соединен непосредственно с , .

- J,.Q,

К 0)« jvare

AUiu

одним из входов, а выход второго вичитающего устройства через функциональный преобразователь - со вторялт входам делительного устройства, выход которого через масштабный усилитель, сопряженный с преобразователем параметр-напряжение, подключен к регистрирующему прибору, который соединен с функциональным преобразователем, третьим вычитающим устройством и четвертым аттенюатором.

0

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Авторское свидетельство СССР 543894, кл. G 01 R 31/26, 1975.

2.Заявка 25239,91/25,

5

кл. G 01 К 31/26, 1977, по которой принято ранение о выдаче авторского свидетельатва. ff,}.