УСТАНОВКА ДЛЯ СНЯТИЯ ВОЛЬТ-ФАРАДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, для измерения и контроля электрофизических параметров полупроводниковых структур, и может быть использована для измерения вольт-фарадных характеристик любых полупроводниковых структур.
Известно устройство для измерения вольт-амперных (ВАХ) и вольт-фарадных характеристик (ВФХ) полупроводникового прибора (см. RU №125713, G01R 27/00, опубл. 10.03.2013). Устройство позволяет одновременно регистрировать вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики в достаточно широкий частотный диапазон и имеет возможность независимой установки диапазонов измерения ВАХ и ВФХ, что, по мнению авторов, позволяет расширить динамический диапазон измерений.
Недостатком известного устройства является его сложность, привязанность периферийному оборудованию и вычислительному комплексу на основе персонального компьютера, без которых устройство не работает.
Существует множество лабораторных установок, используемых, чаще всего, в учебных целях, например, известны лабораторные установки (см. Сборник лабораторных работ по курсу «Электроника»: Ч.1, методические указания для студентов базовой кафедры «Радиотехника, опто- и наноэлектроника» / сост. Б.А. Соломин, А.А. Широков. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 30 с.; Методические указания по выполнению расчетных работ по курсу «Электроника» / сост. К.П. Кирдяшев. - Москва: МАИ, 2007), содержащие резонансный колебательный контур, исследуемый прибор и, как правило, варикап и вспомогательную цепь для обратного смещения варикапа.
Наиболее близким по техническому решению является установка (см. Методические указания по выполнению расчетных работ по курсу «Электроника» / сост. К.П. Кирдяшев. - Москва: МАИ, 2007), включающая основной резонансный контур, содержащий исследуемую структуру, катушку индуктивности, отсекающий конденсатор, а также вспомогательную цепь для обратного смещения исследуемого варикапа.
Недостатком прототипа является то, что измерения снимаются непосредственно от катушки индуктивности резонансного колебательного контура, при котором входными цепями измерительных приборов образуются паразитные контуры, шунтирующие основной измерительный резонансный контур, в результате чего повышается погрешность измерения, снижается в целом точность измерения лабораторных установок.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение диапазона измерения электрофизических параметров и повышение точности, надежности и помехоустойчивости измерений.
Технический результат, получаемый при использовании устройства, выражается в упрощении конструкции устройства, а также расширении измерительного диапазона частот без применения перестроечных ключей при обеспечении точности и помехоустойчивости измерений за счет существенного сокращения длины линии связи между измерительным блоком и исследуемой структурой. При этом конструктивное упрощение устройства обеспечивает надежность и безотказность работы устройства в целом.
Для решения поставленной задачи установка для снятия вольт-фарадной характеристики полупроводниковой структуры, включающая основной резонансный контур, содержащий исследуемую структуру, катушку индуктивности, отсекающий конденсатор, а также вспомогательную цепь для регулируемого обратного смещения исследуемой структуры, содержащей дроссель, отличается тем, что дополнительно содержит катушку связи, индуктивно связанную с основной катушкой контура, сигнал с которого усиливается с помощью однокаскадного транзисторного усилителя, при этом резонансный контур с усилителем выполнены в виде отдельного измерительного блока и может быть использован в качестве модуля расширения существующей установки.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков полезной модели обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, расширение диапазона измерения электрофизических параметров при сохранении высокой точности, надежности и помехоустойчивости измерений.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана электрическая схема колебательного контура с варикапом; на фиг.2 - собранная экспериментальная установка; на фиг.3 показана частотная метка и резонансная кривая колебательного контура на экране прибора АЧХ X1-48; на фиг.4 в качестве примера показан график результатов измерений ВФХ варикапа.
Особенности работы заявленной установки заключаются в следующем.
1
CB
Сигнал снимается не с индуктивности (L) резонансного контура, а с дополнительной обмотки связи (L), индуктивно связанной с катушкой резонансного контура, что обеспечивает гальваническую развязку резонансного контура от входов измерительных приборов и позволяет избавиться от паразитных контуров во всем диапазоне перестройки частоты контура, образующихся входными цепями измерительных приборов при традиционном способе измерения. При этом получаемый сигнал дополнительно усиливается на однокаскадном транзисторном усилителе, обеспечивая помехоустойчивость прибора.
Снятие сигналов не с контура, а с дополнительной катушки связи, который индуктивно связан с катушкой индуктивности резонансного контура, что обеспечивает гальваническую развязку входной цепи измерительного прибора от резонансного контура, тем самым исключает установку от шунтирующего контура. В свою очередь, это позволяет расширить частотный диапазон измерений без применения переключающих ключей. Для уменьшения влияния катушки связи на измерения она содержит малое количество витков, а малый сигнал усиливается на транзисторном усилителе, собранном в одном блоке с измерительным контуром, что обеспечивает помехоустойчивость.
В качестве примера приводятся результаты тестового измерения ВФХ варикапа KB104Д (см. таблицу), при этом относительная погрешность отклонения точек от теоретической кривой в среднем составила 0,5%, что обеспечивает заданную точность измерений.
Схема, реализуемая в заявленном устройстве, позволяет расширить частотный диапазон измерительного резонансного контура без применения перестроечных ключей, что дает возможность измерения характеристик практически любой полупроводниковой структуры.
Простота конструкции в целом приводит к максимальному удешевлению и надежности устройства, а гальваническая развязка входов измерительных приборов также обеспечивает их дополнительную защиту от выхода из строя при возникновении нештатных ситуаций. Выполнение прибора в виде отдельного блока, включающего резонансный контур, отделенный от паразитных контуров, и транзисторный усилитель в одном корпусе, позволяет расширить диапазоны измерений и упростить конструкцию. Независимость от внешних измерительных приборов делает установку универсальной.
Таблица
Зависимость емкости исследуемой структуры C<sub>B</sub> от напряжения смещения U<sub>см</sub> (построена по результатам измерения ВФХ варикапа КВ104Д)
U<sub>см</sub>, B
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
C<sub>в</sub>, пФ
310
263,7
233
213
199
188
179
171,8
166
U<sub>см</sub>, B
4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
C<sub>в</sub>, пФ
160,7
155,2
151,4
147,5
144,8
141,4
138,4
135,4
133