АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Аппаратно-программный комплекс для автоматизированной регистрации электрофизических характеристик полупроводников относится к области измерительной техники для исследования характеристик элементов электронной техники и может быть использован для выявления механизмов электропроводности полупроводниковых материалов, выявления их границ, построения температурных зависимостей сопротивления, а также расчета на основе этих зависимостей таких характеристик, как ширина запрещенной зоны, коэффициент Холла, удельное сопротивление и прочих.
Известно многофункциональное устройство для исследования физико-технических характеристик полупроводников, диэлектриков и электроизоляционных материалов по патенту РФ №2348045 (публ. 27.02.2009), которое предназначено для исследования под действием электрических полей, ультразвуковых вибраций и электромагнитных излучений в широком диапазоне температур и частот таких физико-технических характеристик полупроводников, диэлектриков и электроизоляционных материалов, как диэлектрические потери, комплексная диэлектрическая проницаемость, сопротивление и удельная электропроводность, электрическая емкость, напряженность электрического поля, термостимулированные токи деполяризации и поляризации, термостимулированная люминесценция. Устройство включает стальное основание, электроды равновеликой массы, в нижнем из которых выполнены полости, при этом электрический ввод осуществляется через пластинку из плавленого кварца, в нижний полый электрод введен сменный ультразвуковой преобразователь, создающий в образце ультразвуковые вибрации, верхний электрод прижат к образцу, расположенному на нижнем электроде, при помощи тонкой пластинчатой пружины и пластинки из плавленого кварца, а в вакуумном экранирующем колпаке (камере) выполнено два окна для облучения образца и регистрации его излучения.
Недостатком аналога является необходимость присутствия оператора в течение всего эксперимента, длительность которого, в среднем, при проведении измерений в диапазоне температуры от 10К до 300К может составлять от 10 и более часов.
Наиболее близким по своим признакам, принятым за прототип, является аппаратно-программный комплекс, включающий модуль АЦП/ЦАП ZET 210 с программным обеспечением для компьютера. []
Прототип включает: аналогово-цифровой преобразователь (далее АЦП), два цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), управляющий микроконтроллер в виде сигнального процессора, контроллер интерфейса USB, разъемы DB-15 и DB-25, программное обеспечение для компьютера (далее ПО). Аппаратно-программный комплекс ZET 210 предназначен для измерений параметров сигналов в широком частотном диапазоне (с частотой дискретизации до 400 кГц), поступающих с различных первичных преобразователей.
Данный аппаратно-программный комплекс ZET 210 имеет ряд недостатков:
- входные каналы ZET 210 имеют малое входное сопротивление,
- схема обработки данных в комплексе ZET 210 подвержена влиянию помех, наличие которых возможно как на цепи питания, так и на сигнальных цепях со стороны компьютера
- отсутствует возможность производить амплитудные измерения при разных сочетаниях входных линий.
Указанные недостатки приводят к ограничению применения ZET 210 при исследовании электрофизических свойств полупроводников, например, для измерения малых напряжений в условиях помех и для исследования структур с большим внутренним сопротивлением.
Общим недостатком аналога и прототипа является необходимость присутствия оператора в течение всего эксперимента из-за отсутствия функции задания изменения температурного режима образца в заданном интервале и с заданной дискретностью.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение недостатков присущих прототипу.
Технический результат:
1. Возможность измерения малых напряжений в условиях помех за счет использования АЦП с дифференциальными входными каналами;
2. Возможность исследовать структуры с большим внутренним сопротивлением за счет того, что использовано АЦП с высоким сопротивлением входных каналов;
3. Поддержка функции автоматического изменения температурного режима образца в заданном интервале и с заданной дискретностью благодаря использованию термоконтроллера, который управляется программным обеспечением, установленном на компьютере, и связан с компьютером через дополнительно установленный преобразователь интерфейса USB, что обеспечивает проведение эксперимента без присутствия оператора;
4. Снижение влияния помех, наличие которых возможно как на цепи питания так и на сигнальных цепях со стороны компьютера, благодаря наличию гальванической развязки между микроконтроллером и схемой преобразования аналоговых данных, включающей АЦП;
5. Возможность производить амплитудные измерения при разных сочетаниях входных линий, за счет использования АЦП снабженного аналоговым мультиплексором с программным управлением.
Поставленная задача решается за счет введения в структуру комплекса, включающего АЦП, контроллер USB, управляющий микроконтроллер, и ПО, новых признаков:
- термоконтроллера, связанного с компьютером через дополнительно установленный преобразователь интерфейса USB, и изменяющий температуру образца в криогенной камере в соответствии с заданными в начале эксперимента параметрами,
- источника стабильного тока для пропускания тока через образец,
- АЦП, снабженного аналоговым мультиплексором и дифференциальными входами с коэффициентом подавления синфазной составляющей не менее 100дБ и с сопротивлением более 100 МОм, что позволяет соответственно производить измерения при различных комбинациях входов, а также производить измерения малых напряжений в условиях помех, исследовать образцы с высоким сопротивлением;
- гальваническую развязку, разделяющую управляющий микроконтроллер и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), что позволяет уменьшить влияние помех амплитудой порядка 2кВ, наличие которых возможно как на цепи питания, так и на сигнальных цепях со стороны компьютера;
- прецезионный источник опорного напряжения для выполнения аналогово-цифрового преобразования с высокой точностью;
- программного обеспечения, позволяющего управлять проведением эксперимента посредством изменения температурного режима образца в заданном интервале и с заданной дискретностью, а также регистрировать результаты измерений в автоматическом режиме.
Полезная модель охарактеризована на следующих фигурах:
- Фигура 1 - структурная схема аппаратно-программного комплекса;
- Фигура 2 - интерфейс программы с заданными начальными условиями;
- Фигура 3 - график, построенный по данным, полученным по окончании эксперимента.
Комплекс содержит криогенную установку 1 для размещения исследуемого образца полупроводника, персональный компьютер 2, связанный с управляющим микроконтроллером 3 через контроллер 4 интерфейса USB, а через преобразователь 5 интерфейса USB с термоконтроллером 6. Управляющий микроконтроллер 3 соединен с отладочным модулем 7, содержащим жидкокристаллический дисплей и однокнопочную клавиатуру, и с источником 8 стабильного тока, который в свою очередь подключен к криогенной установке 1. Гальваническая развязка 9 размещена между микроконтроллером 3 и аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) 10, к которому подключен прецизионный источник опорного напряжения 11.
Пример осуществления полезной модели.
Образец полупроводника помещают в криогенную установку 1, в качестве которой была использована криогенная установка Jennis. Затем, для задач отладки программного обеспечения управляющего микроконтроллера 3 используют однокнопочную клавиатуру и жидкокристаллический дисплей модуля 7. Для пропускания тока через образец, расположенный в криогенной камере 1, используют источник 8 стабильного тока.
Программное обеспечение, установленное на компьютере 2, посредством управляющего микроконтроллера 3 позволяет задавать параметры проведения эксперимента:
1. Диапазон температур, в котором будут проводиться измерения;
2. Шаг изменения температуры;
3. Количество пропусков температуры;
4. Величину тока, пропускаемого через образец.
На фигуре 2 представлен пример отображения заданных в начале эксперимента параметров. Также программное обеспечение посредством термоконтроллера 6 позволяет управлять проведением эксперимента путем изменения температурного режима исследуемого образца, проводить измерения амплитудно-временных и температурных характеристик образцов полупроводниковых материалов, т.е. проводить эксперимент в автоматическом режиме. Текущие значения измеряемых параметров и количество проведенных измерений, соответствующих количеству точек в файле, отображаются в соответствующих полях интерфейса программы (фиг.2).
Основой аппаратной части комплекса является 8-и битный управляющий микроконтроллер 3 ATmega16. Он работает под управлением зашитой в его flash памяти программы, реализованной на языке “С” с использованием свободно распространяемых: компилятора WinAvr и среды разработки AVR Studio. Для выполнения вывода информации на жидкокристаллический дисплей, запроса состояния клавиатуры, обмена данными с персональным компьютером 2, оцифровки аналоговых величин посредством аналогово-цифрового преобразователя 10 в программе реализованы функции-задания. Они запускаются в фиксированные интервалы времени посредством соответствующих переменных таймеров.
Термоконтроллер 6, управляемый программным обеспечением, установленным на компьютере 2, обеспечивает изменение температурного режима образца, помещенного в криогенную установку 1, в заданном интервале и с заданной дискретностью, а также фиксирует текущую температуру.
Управляющий микроконтроллер 3 задает величину тока, пропускаемую через образец при помощи источника 8 стабильного тока, а через модуль гальванической развязки 9 посредством интерфейса SPI передает команды аналоговому мультиплексору, встроенному в АЦП 10, и получает с АЦП 10 данные о величинах напряжения, фиксирующихся при достижении необходимого значения температуры образца в соответствии с заданным шагом ее изменения.
Использование гальванической развязки 9 позволяет уменьшить влияние помех амплитудой порядка 2кВ, наличие которых возможно как на силовых проводах питания, так и на сигнальных цепях со стороны компьютера, за счет возможности применять самостоятельное питание для разных частей схемы. Для выполнения аналогово-цифрового преобразования с высокой точностью в схему введен прецизионный источник опорного напряжения 11, например, источник опорного напряжения 2.048В.
Управляющий микроконтроллер 3 работает на частоте 14,7456 MHz. Программирование микроконтроллера 3 осуществляется посредством интерфейса ICSP с помощью программатора AVRISP2. Соединение управляющего микроконтроллера 3 с контроллером 4 осуществляется через входы RXD и TXD. Частота работы контроллера 4 составляет 6 MHz.
В качестве АЦП 10 может быть использована микросхема AD7194 с разрядностью 24 бита, наличием дифференциальных входных каналов, обладающих сопротивлением более 100 МОм, что позволяет увеличить точность измерений и проводить измерения малых напряжений в условиях помех, встроенным в АЦП 10 аналоговым мультиплексором, обеспечивающим возможность проведения амплитудных измерений при разных сочетаниях входных линий. АЦП 10 работает на частоте встроенного генератора 4.92 MHz. Для питания АЦП 10 используется стабилизированное напряжение 5В, которое подается через RC фильтр низких частот. Аналоговые сигналы, получаемые с образца, также подаются через RC фильтры низких частот. Юстировка источника 11 опорного напряжения осуществляется посредством внешнего подстроечного резистора, в соответствии с рекомендациями фирмы изготовителя.
2
4
Например, при исследовании свойств образца полупроводника CuSnZnS в диапазоне температур от 300 до 20К с автоматическим шагом изменения температуры 5К (фиг.2) и измерением возникающих напряжений в четырех точках образца в разных комбинациях, были получены результаты, представленные на фиг 3 в виде построенного графика зависимости удельного сопротивления исследуемого полупроводника от температуры. Минимальные значения зарегистрированных напряжений составили порядка 0,013-0,014 В.
Начало эксперимента - 11:20:25, конец эксперимента - 17:42:37, все изменения температуры и регистрация измеряемых данных проводились автоматически, без участия оператора.
Фактически комплекс заменяет 4 измерителя напряжения высокого класса и устройство сопряжения с компьютером. При этом полученные характеристики комплекса сопоставимы с аналогичными современных измерительных приборов высокого класса.
Заявленный аппаратно-программный комплекс позволяет пропускать ток требуемой для эксперимента величины через образец, помещенный в криогенную установку, автоматически изменять температурный режим образца в соответствии с заданными параметрами, регистрировать возникающие напряжения в четырех-восьми точках образца в разных комбинациях, что позволяет по полученным данным выявлять механизмы электропроводности полупроводниковых материалов, границы электропроводности, и использовать их для построения температурных зависимостей сопротивления, а также расчета на основе этих зависимостей таких характеристик как ширина запрещенной зоны, коэффициент Холла, удельное сопротивление и прочих.