Устройство для измерения комплексной проводимости Советский патент 1983 года по МПК G01R27/02 

.

Изобретение относится к контроль но-измерительной технике и может быть использовано для измерения проводимости и емкости полупроводнико вых образов, что необходимо для контроля и исследования комплексной проводимости МДП-образцов, барьеров Шоттки, диодов, фотодиодов, транзисторов, приборов с использованием объемных свойств, кроме того, данное устройство может быть использовано для измерения и контроля любых других электро- и радиотехнических компонентов типа двухполюсников, прёдставимых в виде параллельной схемы замещения (емкость и проводимость).

Известно устройство для измерения полных проводимостей и добротности нелинейных элементов, содержащее измерительный контур, переключатель, образцовые активную и реактивную проводимость, источник и измеритель напряжения, аналоговый делитель, блок регистрации тетремума, блок дифференцирования, усилительограничитель, элементы НЕ и ИЛИ, RS-триггер, блок управления, два синхронных демодулятора, блок срав нения, триггер, интегратор логические элементы И 1 .

Недостатком устройства является то, что оно не дает представления о частотной характеристике измеряемого объекта. .

Наиболее близким техническимрешением к изобретению является для измерения и регистрации C-U 5 и G-U характеристик, который содержит высокочастотный генератор, выход которого соединен с первым выводом полупроводникового образца, второй вывод которого соединен с первым входом первого балансного смесителя, выход балансного смесителя соединен со входом второго селективного усилителя, выход которого сое3динен со входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с регистратором перестраиваемый высокочастотный генератор, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго балансных смесителей и первым входом блока автоматической подстройки частоты, выход последнего соединен со входом перестраиваемого высокочастотного, а выход первого высокочастотного ге нератора соединен с первым входом второго балансного смесителя и вторым входом блока автоматической под стройки частоты, выход второго балансного смесителя соединен с первым входом второго фазочувствительного детектора и первым входом первого управляемого делителя напряжения, выход которого через резистор соединен со входом второго селектив ного усилителя и входом третьего синхронного детектора, выход которо го соединен с регистратором, выход второго селективного усилителя соединен также со вторым входом фазочувствительного управляемого делите ля напряжения, второй идентичный ка нал, содержащий третий низкочастотный, генератор, генератор, первый сумматор, выход которого соединен с первым выводом образца Су, второй вывод которого соединен со входом третьего селективного усилителя, четвертый селективный усилитель, четвертый и пятый синхронные детекторы, второй управляемый делитель н пряжения, шестой фазомувствительный детектор, фильтр низких частот, делитель напряжения, источник посто янного напряжения, генератор треуго ного напряжения, второй сумматор. эталонную емкость С,. Введение двух структурно-идентичных каналов позво ляет проводить С-и и G-U измерения одновременно на двух фиксированных частотах Zj. Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет проводить измерения на произволь но выбранной частоте, а также не позволяет снимать частотные зависимости емкости и проводимости. Не.возможность автоматической перестро ки на заданный диапазон частот снижает в конечном итоге точность изме рений вследстви е того, что характерные времена некоторых процессов в полупроводниках меньше времени 5 ИЛИ сравнимы со временем ручного измерения и не могут быть зафиксированы с помощью известного устройства. Целью изобретения является расширение частотного диапазона измерений, повышение быстродействия устройства путем автоматической перестройки частот при сохранении точности измерений, и расширение функциональных возможностей прибора. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения комплексной проводимости, содержащее высокочастотный генератор, первый широкополйсный усилитель, выход которого соединен с первым входом первого балансного смесителя, подключенного вторым входом к выходу перестраиваемого высокочастотного (ВЧ) генератора, а выходом - ко входу первого селективного усилителя, выход которого соединен с первым входом первого синхронного детектора, второй вход второго балансного смесителя соединен через перестраиваемый высокочастотный генератор с выходом блока управления, второй и третий синхронные детекторы, образцовый конденсатор, блок постоянных смещений, фильтр низких частот и регистратор, введены выходной блок, преобразователь частота - напряжение,, RC-фильтр, переключатель пределов, измерительный конденсатор, второй широкопояосный усилитель, второй селективный усилитель, третий балансный смеситель, три усилителя постоянного тока, источник опорного напряжения и управляемый фазовращатель , первый вход которого подключен к первому выходу высокочастотного генератора, выход - к первому входу второго балансного смесителя, выход которого подключен ко входу фильтра низких частот, соединенного со входом выходного блока, первый выход которого соединен с одним зажимом для подключения полупроводникового образца,а второй - с регистратором частоты и входом преобразователя частота - напряжение, выход которого соединен с регистратором, при этом выход блока управления перестраиваемого ВЧ генератора соединен со вторым входом третьего балансного смесителя, первый вход которого соединен с выходом второго , широкополосного усилителя, вход последнего подключен к среднему вывод измерительного и эталонного конденсаторов, второй вывод которого соединен с первыми выходами выходного блока и блока постоянного смещения, вход второго селективного усилителя соединен с выходом третьего балансного смесителя, выход - с первым входом второго синхронного детектора, выход которого соединен со входом первого усилителя постоянного тока, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход - через RC-фильтр со вторым входом управляемого фазовращателя, вход переключателя пределов соединен с вторым зажимом для подключения полупроводникового образца, выход - ко входу первого широкополосного усилителя, вход второго усилителя постоянного тока подключен к выходу первого синхронного детектора, выход - к регистратору, выход первого селективного усилителя соединен с первыми входами третьего синхронного детектора, выход которого через третий усилитель постоянного тока соединен с регистратором, управляющие входы синхронных детекторов соединены со вторым выходом высокочастотного генератора. На чертеже приведена функциональ ная электрическая схема устройства. Устройство содержит высокочастот ный генератор 1, управляемый фазовращатель 2, балансный смеситель 3, фильтр k низких частот, выходной бло 5, блок 6 постоянного смещения, пер страиваемый высокочастотный генерат 7, блок 8 управления, первый широко .полосный Усилитель 9, первый баланс ный смеситель 10, первый селективный усилитель 11, третий синхронный детектор 12, третий усилитель 13 постоянного тока, первый синхронный детектор 1, второй усилитель 15 по стоянного тока, второй широкополосный усилитель 16, третий балансный смеситель 17, второй селективный усилитель 18, второй синхронный детектор 19, первый усилитель 20 постоянного тока, RC-цепь 21, преобразователь 22 частота - напряжение, полупроводниковый образец 23, переключатель 2k пределов, эталонный кон денсатор 25, измерительный конденсатор 26, Устройство работает следующим образом. Высокочастотный сигнал от высокочастотного генератора 1 с частотой f. поступает через управляемый фазовращатель 2 на вход балансного смесителя 3, на второй вход которого поступает высокочастотный сигнал от перестраиваемого высокочастотного генератора, частота которого может меняться от f До f. После смешивания в балансном смесителе 3 и прохождения фильтра k низких частот, на входе выходного блока 5 появляется сигнал, частота которого может меняться от .f4 ДО В выходном блоке 5 происходит стабилизация сигнала с частотой по амплитуде с точностью лучше С выхода входного блока 5 сигнал поступает на вход преобразователя 22 частота - напряжение, где происходит линейное преобразование частоты в напряжение, которое подается на один из входов двухкоординатного самописца. Одновременно на выходе f происходит цифровая индикация частоты, подаваемой на полупроводниковый об-. разец. Напряжение с частотой с выхода выходного блока 5 поступает на эталонный конденсатор (С) 25с большой добротностью, при этом на измерительном конденсаторе (() 26выделяется напряжение, пропорциональное току, текущему через эталонный конденсатор ((1) 25, т.е. пропорциональное ( Напряжение, выделяющееся на измерительном конденсаторе (Сц) 26 поступает на вход широкополосного усилителя 17, С выхода широкополосного усилителя сигнал с частотой fц-fQ поступает на вход балансного смесителя 17, на второй вход которого с перестраиваемого высокочастотного генератора 7 поступает напряжение постоянной амплитуды с частотой , . Сигналы этих частот смешиваются в балансном смесителе 17 и поступают на вход селективного усилителя 18, где происходит выделение частоты f (f . t() Сигнал с частотой f с выхода селективного усилителя 18 поступает на вход 6 синхронного детектора 19, на второй вход которого с высокочастотного генератора 1 также подается сигнал с, частотой f , Постоянное напряжение с выхода синхронного детектора 19 поступает на усилитель 20 постоянного тока обратной связи, где сравнивается с и опорным и, пройдя через RC-цепь 21, поступает на вход управляемого фазовращателя 2, замыкая цепь отрицательной обратной связи автоподстройки фазы. Отрицательная обратная связь работает таким образом, что напряжение на выходе синхронного де тектора 19 поддерживается равным ну лю, т.е. выполняется условие 005( 0 или Рд ЛЧШ-0, C-l) где Чд - фаза сигнала с частотой ЛЧН)- изменение фазы сигнала. Одновременна сигнал с частотой f rfg с выхода выходного блока 5 поступает на полупроводниковый образец 23, при этом.на измерительном конденсаторе (Сц) , который выбирается Переключателем 2h пределов, возникает напряжение, пропорциональное току, текущему через полупроводни)овый образец, т.е. пропорциональное G H-iuUCy. Это напряжение поступает на вход широкополосного усилителя 9 с выхода которого сигнал поступает на вход балансного смесителя 10, на второй вход,которого поступает сигнал постоянной амплитуды с частотой от перестраиваемого высокочастотного генератора 7. Сигналы этих частот смещиваются в балансном смесителе 10 и поступают на вход селективного усилителя 11, где происходит выделение частоты f//( ti -i R Сигнал с частотой f. с выхода селективного усилителя поступает на вход синхронных детекторов 1Z и k Так как на балансные смесители 10 и 17 поступают одинаковые сигналы от перестраиваемого высокочастот ного генератора 7 то переменные на пряжения на входах будут отличаться на фазовый мнонситель, отражающий разность сдвигов фаз эталонным кон.денсатором 25 (ТС/а) и полупроводник вым образцом 23 (%) . Это означает, что постоянное напряжение на вы ходе синхронного детектора 12 будет пропорционально (1)J , а на выходе синхронного детектора И - пропорционально cos рд+Цу+д р( t , следовательно на выходе синхронного детектора 12 имеем постоенн напряжениеJ пропорциональное G , а на выходе синхронного детектора 1 4 - постоянное напряжение, пропорциональное sin PyrCy. Выделенная активная составляющая комплексной проводимости с выхода синхронного детектора 12 подается на усилитель 13 постоянного тока и далее на регистратор. Реактивная составляющая с выхода синхронного детектора 1 t подается на усилитель 15 постоянного тока и далее также на регистратор. С выхода блока управления на вход перестраиваемого высокочастотного генератора поступает пилообразное напряжение, необходимое для электронной перестройки частоты последнего в диапазоне для записи G-ce/, СC-uf зависимостей, С выхода блока 6 постЬянного смещения на полупроводниковый образец 23 поступает постоянное поляризующее напряжение, которое также может изменяться пилообразно для записи соответствующих зависимостей G-U или С-и. В предлагаемом устройстве по сравнению с известным прибором АМП 1531 для измерения и регистрации C-U и G-U-характеристик имеется возможность измерения на любой частоте в диапазоне 0, кГц в отличие от двух фиксированных (80 Гц и 1 мГц), возможность частотно-зависимых измерений в автоматическом режиме с временем перестройки по частоте от 10 до 300 с при той же точности измерений; возможность использования устройства для исследовательских целей постоянных времени, которые не могут быть зарегистрированы на измерительных устройствах с ручной перестройкой частоты. формула изобретения Устройство для измерения комплексной проводимости, содержащее высокочастотный генератор, первый широкополосный усилитель, выход которого соединен с первым BXOfioM первого балансного смесителя, подключенного вторым входом к выходу перестраиваемого высокочастотного (ВЧ) генератора, а выходом ко входу первого селективного усилителя, выход которого соединен с первым входом первого синхронного детектора, второй вход jToporo балансного смесителя соединен через перестраиваемый высокомастотный генератор с выходом блока управления второй и третий синхрон ные детекторы, образцовый конденсатор, блок постоянных смещений, филь низких частот и регистратор, отличающееся тем, что, с це лью расширения частотного диапазона измерений и повышения быстродействия в него введены выходной блок, преобразователь частота - напряжение, RC-фильтр, переключатель пределов, измерительный конденсатор, второй широкополосный усилитель, второй селективный усилитель, третий баланс ный смеситель, три усилителя постоянного тока, источник опорного напряжения и управляемый фазовращатель первый вход которого подключен к пер вому выходу высокочастотного генератора, выход - к первому входу второго балансного смесителя, выход которого подключен к входу фильтра низких частот, соединенного с входом выходного блока, первый выход которого соединен с одним зажимом для подключения полупроводникового образца, а второй - с регистратором частоты и входом преобразователя частота - напряжение, выходкоторого соединен с регистратором, при этом выход блока управления перестраиваемого ВЧ генератора соединен с вторым входом третьего балансного смесителя, первый вход которого соединен с выходом второго широкополосного усилителя, вход последнего подключей к среднему выводу измерительного и эталонного конденсаторов, второй вывод которого соединен с первыми выходами выходного блока и блока постоянного смещения, вход второго селективного усилителя соединен с выходом третьего балансного смесителя , выход - с первым входом второго синхронного детектора, выход которого соединен с входом первого усилителя постоянного тока,второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход - через RC-фильтр - с вторым входом управляемого фазовращателя, вход переключателя пределов соединен с вторым зажимом для подключения полупроводникового образца, выход - к входу первого широкополосного усилителя, вход второго усилителя постоянного тока подключен к выходу первого синхронного детектора, выход - к регистратору, выход первого селективного усилителя соединен с первыми входами третьего синхронного детектора, выход которого через третий усилитель постоянного тока соединен с регистратором, управляющие входы синхронных детекторов соединены с втором выходом высокочастотного генератора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 691781, кл. G 01 R 27/26, 1977. 2. Приборы и системы управления, 1980, № 1. с. 33-(прототип).