Brevet FR2180571A1 — publié le 19731130

La présente invention concerne un appareil de mesure des paramètres caractéristiques des diodes à semi-conducteurs au cours de leur fabrication ; il peut aussi trouver sa place dans un laboratoire d'électronique comme appareil de mesure. La formule habituellement utilisée pour représenter la partie directe de la courbe caractéristique des diodes est de la forme de l'exDression : . Dans cette formule, I est le courant de la diode soumise à la tension V, R5 est la résistance interne due à la pastille semi-conduc trice, kT une expression qui, à la température ambiante, est q voisine de 26 mV, n est un coefficient expérimental voisin de 1 par valeurs supérieures et dont la valeur renseigne sur la qualité de la pastille, Is est le courant de saturation. Les paramètres caractéristiques que lton contrôle commlné- ment en cours de fabrication sont R5 la résistance interne et le coefficient n. Il est bien connu que l'on peut effectuer le relevé point par point de la caractéristique. On peut aussi procéder par enregistrement afin de tracer directement la courbe caractéristique I =f(V) ou encore la courbe log I = F(V). Toutefois, toutes ces méthodes nécessitent un travail d'exploitation des résultats, plus ou moins long selon le point de départ, incompatible avec les exigences de rapidité d'une opération de contrôle en fabrication. Le but de la présente invention est de réaliser un appareil affichant directement les valeurs des caractéristiques de la diode R5, n et Is sans autre intervention manuelle que la mise en place de la diode et le déclenchement de la mesure. L'appareil de mesure, selon l'invention, des paramètres caractéristiques d'une diode semi-conductrice, est caractérisé en ce qutil comporte au moins les éléments suivants - une alimentation fournissant à la diode à mesurer un courant périodique dont l'intensité moyenne prend successivement deux valeurs prédéterminées au cours de deux phases que comporte le fonctionnement de l'appareil - un amplificateur alternatif en parallèle sur la diode à mesurer suivi d'une détection reliée, au cours de la première phase de fonctionnement de l'appareil, à un premier voltmètre continu indiquant l'amplitude de la tension variable engendrée dans la diode - un diviseur analogique dont la première entrée est reliée à la sortie d'un amplificateur continu à haute impédance d'entrée en parallèle sur la diode à mesurer et dont la seconde entrée est reliée à la détection déjà mentionnée - un amplificateur logarithmique en série avec la diode, au cours de la première phase de fonctionnement de l'appareil, dont la sortie est reliée à celle du diviseur analogique à travers un voltmètre indiquant la valeur du logarithme du courant de saturation;; - un condensateur de mise en mémoire de l'amplitude de la tension variable engendrée dans la diode au cours de la première phase de fonctionnement de l'appareil branché en parallèle sur le premier voltmètre continu déjà mentionné - un voltmètre continu branché entre le condensateur de mise en mémoire et la sortie de la détection déjà mentionnée indiquant la valeur numérique de la résistance interne de la diode au cours de la deuxième phase de fonctionnement de ltappareil - une temporisation réglant les commutations nécessaires au cours des deux phases de fonctionnement de l'appareil. L'appareil selon l'invention possède l'avantage d'effectuer seul les opérations nécessaires à la détermination des paramètres n, Rs, Is des diodes à mesurer lorsqu'on a préréglé les deux valeurs du courant moyen auxquelles l'appareil doit fonctionner. Dans une version de réalisation réservée au contrôle en série de la fabrication des diodes, l'appareil comporte un dispositif d'enregistrement des tensions représentatives des valeurs des paramètres n, Rs, log10Is de telle sorte que ceux-ci soient lus directement. Le travail de l'opérateur se limite à placer les diodes à mesurer selon leur numéro d'ordre et à déclencher la mesure. Dans une version réservée au laboratoire, l1opérateurchoi- sit la valeur des intensités auxquelles l'appareil doit fonctionner. La mesure ayant lieu sans intervention manuelle pendant son déroulement, les erreurs de commutation sont éliminées. D'autres caractéristiques et avantages de l'arareil apparateront au cours de la description illustrée par les figures 1 à 4 données à titre illustratif mais nullement limitatif et dans les quelles la figure 1 est une vue d'ensemble de l'appareil la figure 2 est un schéma fonctionnel des éléments les figures 3a et 3b représentent les circuits d'alimentation en courant de la diode à mesurer la figure 4 est une courbe caractéristique de la diode sur laquelle on a porté les deux points de fonctionnement de l'appareil au cours des deux phases successives. La figure 1 représente une vue en élévation du panneau avant de l'appareil avec en 1 la commande générale de marche-arrt, en 2 le fusible de protection général, en 3 la monture destinée à recevoir la diode, en 4 le bouton de commande de début de la mesure, en 5 le voyant de position d'attente indiquant qu'aucun courant ntest envoyé sur la diode à mesurer, en 6 le voyant indiquant que la première phase de mesure est en cours, en 7 le voyant indiquant que la deuxième phase de mesure est en cours, en 8 le cadran du voltmètre affichant la valeur numérique de n, en 9 le cadran du voltmètre affichant la valeur numérique de log I,, en 10 le cadran du voltmètre affichant la valeur numérique deRs en 11 le commutateur de sensibilité de Rs, en 12 le bouton de coz-,2nde du potentiomètre de réglage du courant de la diode pendant la première phase de mesure. La figure 2 est un schéma dans lequel on distingue les éléments suivants : une commutation générale comportant un microrupteur 4-1 en série avec les contacts repos 21-1 du relais 21 relié à une première sortie d'un dispositif de temporisation 22 dont la deuxième sortie est reliée aux bobines des reluis 23 à 27 ; une alimentation comportant un multivibrateur 30 donnant une tension en cré neaux à 1000 Hz suivie de deux éléments cozutables repérés 30-1 et 30-2 ; un amplificateur alternatif 31 à haute impédance d'entrée et à bonde passante étroite gracie à une contre-réaction en double T accordée sur 100O Hz et une détection 32 ; un condensateur 33 de mise en mémoire de la tension correspondant à la valeur n ; un diviseur analogique 34 dont la première entrée est reliée à un amplificateur continu 35 en parallèle sur la diode 3 gracie au contact 25-1 du relais 25 dont la deuxième entrée est reliée au voltmètre alternatif grâce au contact 26-1 du relais 26 ; un amplificateur logarithmique 36 dont l'entrée est commutable en série dans le circuit d'alimentation de la diode. L'appareil étant alimenté en courant et se trouvant en position d'attente entre deux mesures, les contacts 3 de la monture de la diode sont court-circuités par le microrupteur 4-1 en série avec les contacts 21-1. Le voyant 5 de la figure 1 est alors allumé. Une diode ayant été introduite entre les contacts 3, lorsqu'on désire provoquer le fonctionnement de l'appareil on appuie sur le bouton 4. Le dispositif de temporisation 22 commande alors l'ouverture des contacts 21-1 pendant la durée d'un cycle de mesure, le voyant 5 s' éteint et le voyant 6 s'allume tandis que les relais 23 à 27 reliés à la deuxième sortie du dispositif de temporisation restent en position de repos pendant la durée de la première phase du fonctionnement de l'appareil. La partie 30-1 de l'alimentation, représentée sur la figure 3a, est alors en service. Elle reçoit par sa connexion 37 une tension de 10 volts en forme de créneaux se répétant 1000 fois par seconde et elle délivre à la diode à mesurer, par la connexion 38, un courant en forme de créneaux dont l'intensité moyenne 1m est variable, grâce au potentiomètre 39, entre 50 et 150 microampères et dont l'écart t2I entre les minima et les maxima est tel que ai = 0,1. En effet, du fait de la présence de deux diodes Zener 37-1 et 37-2 ayant des tensions de fonctionnement respectivement de 8 et 10 volts, le potentiel de la base du transistor 37-3 se déplace de 2 volts. La chute de potentiel dans le transistor 37-3 étant voisine de 1 volt, il apparat entre la connexion 38 et la masse une tension en forme de créneaux d'amplitude 1 volt.La tension continue appliquéeen37-4 étant deîOvoltslecourant moyen qui traverse les résistances 39et 39-1, de valeur totale Ro, est or ce courant est sensiblement égal à celui qui traverse la diode à mesurer. Par ailleurs on a donc la relation quel que soit Ro. La figure 4 représente la courbe caractéristique de la diode en coordonnées semi-logarithmiques. Au cours de la première phase du fonctionnement de l'appareil le point représentatif se trous ve en 40. Le potentiomètre 39 permet de déplacer ce point dans une partie de la zone rectiligne de la caractéristique pour laquelle la relation I = Is l -q/nkT v est valable. Cette relation permet d'écrire l'équation : entre la variation de courant -y- imposée par l'alimentation et la variation #v qui prend naissance dans la diode. Or l'alimentation en courant selon le schéma de la figure 3a respecte par construction la condition : #I = 0,10 de sorte que : n = q . #v . I kT 0,10 En vue d'éliminer l'erreur due à la résistance des contacts d'alimentation de la diode lors des mesures de tension, on utilise un montage Kelvin à quatre bornes. L'amplificateur 31 de la figure 2 n'étant sensible qu'aux variations de tension, la lecture qui apparaît sur le voltmètre 8 est proportionnelle à v avec un coefficient égal au produit K1 du gain de l'amplificateur 31 par le coefficient K2 du détecteur 32. Le pro 10 q duit K1K2 étant par construction égal à kT = 405, il s'ensuit que la valeur de n est égale à la valeur numérique de la lecture effectuée sur le cadran du voltmètre 8. Pendant le même temps, l'amplificateur 35 reçoit entre ses bornes d'entrée la tension moyenne continue v de la diode à mesurer et délivre une tension K3 v à la première entrée du diviseur 34. Le relais 26 par l'intermédiaire du contact repos 26-1 met la deuxième entrée du circuit 34 en relation avec la sortie du voltmètre alter natif et reçoit de ce fait une tension K1K2 #v = 405 #v. A la sortiedu diviseur 34, ilapparait une tension continue K4.K3 v = K4K3 v K1K2#v 405#v Par ailleurs, l'amplificateur 36 délivre une tension K5 log I.Comme de plus le voltmètre 9 est branché entre la sortie de 34 et celle de 36 il affiche la différence de ces deux tensions soit K4K3 v Y = K5 log I - 405 . #v K5 405 Expression identifiée à q v v log10 Is = log10I' - kT . 2,30 n = log10I - 5,36 #v en réalisant par construction K5= 1 et K K = 17,60 L'appareil de lecture 9 affiche donc la valeur logarithme à base 10 de Lorsque la durée de la première phase du fonctionnement est écoulée, la temporisation 22 envoie du courant dans les bobines des relais 23 à 27 montés en parallèles. L'amplificateur 36 est alors mis hors circuit par le relais 24. Il en est de même du circuit 34 par l'intermédiaire des relais 25 et 26.La sortie du voltmètre alternatif est reliée gracie aux contacts 27-2 du relais 27 à l'appareil de lecture 10. Le relais 23 court-circuite l'alimentation en courant 36-1 tandis que l'alimentation 30-2 décourt-circuitée envoie du courant dans la diode 3 à mesurer. L'alimentation 30-2, représentée sur la figure 3b est prévue pour délivrer à là diode des courants beaucoup plus intenses que ceux que délivre l'alimentation 30-1. Elle est de plus préréglée pour quatre valeurs dont une seule est mise en service par le contacteur 46 qu'on actionne par le bouton 11 de la figure 1, selon le type de diode à mesurer. Le voyant 6 placé sur le panneau avant s'éteint tandis que le voyant 7 s'allume. Le nouveau point de fonctionnement de l'appareil est repéré en 41 sur la figure 4. Dans cette zone de la caractéristique, la résistance interne de la diode ne peut plus être négligée. Appelait I' le courant au point de fonctionnement 41 et #V la va- riation de tension correspondante aux bornes de la diode, 11 équation ci-après relie les diverses grandeurs d(Log #I') = #I' = q #V - q R dI' = 0,1 I' nkT nkT ainsi qu'il a ét déjà précédemment établi : q = 0,1 nkT #v ='expression qui donne la valeur de la résistance interne de la diode en tenant compte des caractéristiques de l'appareil selon l'in vention est :R = #V - #v 0,1 I' La lecture apparaissant sur l'appareil 10 est égale à K1K2 (#V - #v) = 405 (#V - #v) et l'on a R = (lecture sur l'appareil 10) = X .(lecture de l'appareil 10) 40,5 x I' En vue de donner à X une valeur simple on a choisi les valeurs des résistances 42 à 45 de la figure 3b qui imposent au courant, dans la diode, les valeurs 247 mA, 24,7 mA, ... 0,247 mA et l'appareil porte sur le panneau avant, en regard des diverses positions du bouton 11, la valeur du coefficient par lequel il convient de multiplier la lecture de l'appareil pour avoir la valeur de la résistance interne de la diode. Lorsque la durée de la phase 2 est terminée la temporisation 22 cesse d'alimenter tous les relais qui reviennent en position de repos. Les contacts 21-1 court-circuitent à nouveau la diode placée entre les bornes. Le voyant 7 s'éteint et le voyant 5 se rallume. Le processus peut alors recommencer comme il vient d'entre décrit. Lorsque l'appareil est utilisé dans une fabrication en série la valeur du courant envoyé dans la diode au cours de la deuxième phase est préréglé en agissant sur le bouton 11 en fonction du type de diode. Un courant trop faible envoyé dans une diode permettant une intensité supérieure place le point de fonctionnement 41 de la figure 4 dans la zone où l'effet de Rs est négligeable et la valeur trouvée est trop petite. La valeur correcte de la résistance interne est obtenue en passant à une sensibilité pour laquelle une nouvelle augmentation du courant ne change pas le résultat trouvé. Outre les avantages déjà mentionnés : élimination des erreurs de commutation et enregistrement numérique des voleurs de n, R5, et log10Is, l'appareil se prote à une automatisation totale de son fonctionnement. Il suffit pour cela de prévoir un dispositif de présentation des diodes sur la monture. La précision de l'appareil est de l'ordre de quelques pour cents et les valeurs des paramètres obtenues sont identiques à celles que fournit la méthode de relevé point par point. Lorsque l'appareil est utilisé en laboratoire l'enregistrement et l'automatisation de la mise en place des diodes sur la monture sont inutiles, en revanche, on peut porter à six le nombre de valeurs du courant préréglées en vue d'accroître les possibilités de mesure de l'appareil. R E V E N D I C A T I O. N S 1 - Appareil de mesure des paramètres caroctéristiaues n. R5, Iss de ltéquation d'une diode seml-conductrlce caracterise en ce qulll comporte au moins les ele- ment s suivants - une alimentation de la diode à mesurer fournissant à celle-ci un courant dont l'intensité moyenne prend successivement deux valeurs prédéterminées au cours de deux phases correspondantes de fonctionnement de l'appareil. La première valeur de l'intensité moyenne se situe dans le domaine de la courbe caractéristique de la diode où log I est proportionnel à la tension de la diode. La seconde valeur de l'intensité moyenne se situe dans le domaine où log I est de plus fonction de l'intensité du courant de diode.Le courant de l'alimentation de la diode compore en outre une composante périodique dont l'amplitude est proportionnelle à l'intensité moyenne. - un amplificateur alternatif en parallèle sur la diode, relié à une détection e11e-mame en relation au cours de la première phase du fonctionnement de l'appareil avec un premier voltmètre indiquant la valeur de n et un condensateur de mise en mémoire de cette valeur en parallèle sur ce voltmètre. - un dispositif de calcul et d'affichage de la valeur du logarithme du courant de saturation à partir de la tension alternative précédente, de la tension continue moyenne et du courant moyen de la diode. - un second voltmètre affichant la valeur de la résistance interne de la diode relié au cours de la deuxième phase du fonctionnement de l'appareil à la détection déjà mentionnée et au condensateur de mise en mémoire. - un circuit de commutation établissant à partir d'un ordre unique toutes les connexions nécessaires à la mesure. 2 - Appareil de mesure des paramètres caractéristiques d' une diode semi-conductrice selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une alimentation de la diode à mesurer fournissant à celle-ci un courant dont l'intensité comporte une composante principale continue variant dans une gamme de 1 à 103 et une composante périodique en forme de créneaux d'amplitude faible devant la premiè- re et demeurant proportionnelle àcelle-ci lorsque l'intensité de la composante continue varie. 3 - Appareil de mesure des paramètres caractéristiques d' une diode semi-conductrice selon les revendications 1et 2, caractérisé en ce que le dispositif de calcul et d'affichage de la valeur du logarithme du courant de saturationdela diode comporte un diviseur analogique dont la première entrée est reliée à la sortie d'un amplificateur continu en parallèle sur la diode, dont la seconde entrée est reliée à la détection d'un amplificateur alternatif en parallèle sur la diode et dont la tension de sortie proportionnelle au quotient de la première tension par la seconde est retranchée de la tension de sortie d'un amplificateur logarithmique en série avec le courant de la diode par le branchement d'un voltmètre entre la sortie du diviseur analogique et la sortie de l'amplificateur logarithmique. 4 - Appareil de mesure des paramètres caractéristiques d' une diode semi-conductrice selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un voltmètre digital dont la sortie est reliée à une imprimante rapide et un programmeur, fonctionnant à partir d'un ordre unique, et effectuant les branchements nécessaires à l'exécu- tion des deux phases de la mesure simultanément avec l'introduction du voltmètre digital dans les circuits de mesure de n, log Is et Rs.