УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В БАЗАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Полезная модель относится к области электротехники и может найти применение в устройствах для межоперационного контроля параметров силовых полупроводниковых приборов.
Известно устройство для измерения времени жизни неравновесных носителей заряда разностным методом, включающее источник напряжения, формирующую линию в качестве источника прямого тока, развязывающий диод, ключ прямого тока, источник обратного напряжения, блок резисторов, ключ обратного тока, блок управления, датчик тока, измеритель временных интервалов и клеммы для подключения испытуемого образца [Григорьев Б.И., Тогатов В.В. Прибор для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в n-базах диодов и тиристоров. - Электронная техника. Серия 4. Электронновакуумные и газоразрядные приборы, 1979, вып. 3, стр. 125-128]. В известном устройстве ключевые элементы, необходимые для быстрого переключения прямого тока на обратный, выполнены на импульсных водородных тиратронах. Основными недостатками известного устройства является сложная схема управления тиратронами, низкая надежность, обусловленная небольшим ресурсом ламп и низкая точность измерений времени жизни, связанная с применением параметрических источников прямого и обратного тока.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемой установке для измерения времени жизни неосновных носителей заряда является устройство для измерения времени жизни неосновных носителей заряда разностным методом, включающий источник прямого напряжения, накопительный конденсатор, резистор, задающий величину прямого тока, последовательный ключ, развязывающий диод, источник обратного напряжения, резисторы, задающие величину обратного тока, переключатель резисторов, параллельный ключ, блок управления, датчик тока, измеритель временных интервалов и клеммы для подключения испытуемого образца [Григорьев Б.И., Горемышев В.Н., Сосипатров А.А. Приборы для автоматизированного измерения электрофизических параметров диодных, транзисторных и тиристорных структур. - Электронная техника. Серия 4. Электронновакуумные и газоразрядные приборы, 1984, вып. 3 (102), стр. 72-79]. В известном устройстве положительный полюс источника прямого напряжения соединен с одной из обкладок накопительного конденсатора и входом последовательного ключа, выход которого соединен с клеммой для подключения анода испытуемого полупроводникового прибора, вторая обкладка накопительного конденсатора через резистор, задающий величину прямого тока, и источник отрицательного напряжения соединена с клеммой для подключения катода испытуемого полупроводникового прибора, отрицательный полюс источника отрицательного напряжения через резисторы, задающие величину обратного тока, и переключатель резисторов соединен с клеммой для подключения анода испытуемого полупроводникового прибора, блок управления подключен к управляющим входам последовательного и параллельного ключей, а измеритель временных интервалов через датчик тока соединен с клеммами для подключения испытуемого полупроводникового прибора.
В известном устройстве по сигналу от блока управления формируется сначала одна пара прямоугольных биполярных импульсов тока «прямой-обратный», затем вторая пара. Амплитуды прямого тока в первой и второй паре импульсов равны между собой, а амплитуды обратного тока примерно на порядок меньше амплитуды прямого тока и отличаются друг от друга в е=2,71 раз. Измеритель времени производит измерение интервала постоянства обратного тока в каждой паре импульсов как интервал времени между переходом прямого тока через ноль и моментом времени, в который изменяется полярность напряжения на испытуемом полупроводниковом приборе. Значение времени жизни неосновных носителей заряда для испытуемого прибора равно разности длительностей интервалов постоянства обратного тока.
Однако известное устройство имеет низкую точность измерения времени жизни неосновных носителей, особенно при больших значениях амплитуды тока.
Точность измерений времени жизни разностным методом определяется стабильностью амплитуды прямого тока в первой и второй паре импульсов и точностью поддержания соотношения между амплитудой обратного тока в первой паре и во второй паре импульсов тока, которая должна быть точно равна е=2,71. В известном устройстве в качестве источников прямого и обратного тока применены источники стабилизированного напряжения и резисторы. Поэтому значение амплитуды прямого или обратного тока через испытуемый полупроводниковый прибор будет зависеть от соотношения между величиной резисторов устройства и сопротивлением испытуемого полупроводникового прибора. Поскольку величина обратного напряжения, прикладываемого к испытуемому полупроводниковому прибору при его восстановлении, должна составлять от 25 до 40 В, то при амплитуде тока через испытуемый прибор порядка 20 А - 50 А сопротивление резистора, задающего величину тока, равно 0,5 Ом - 2 Ом. Динамическое сопротивление полупроводникового прибора в зависимости от его типа может изменяться в диапазоне от 0,04 мОм до 50 мОм, т.е., составлять от 0% до 10% от выходного сопротивления источника тока, выполненного на основе стабилизированного источника напряжения и резистора.
Более того, применение резисторов для задания двух значений амплитуды обратного тока требует введения в схему механического переключателя резисторов, который, как и любое механическое коммутационное устройство, работающее на больших токах, имеет относительно невысокую надежность.
В основу полезной модели поставлена задача - усовершенствовать установку для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в базах диодов и тиристоров путем введения новых конструктивных элементов, новых связей между конструктивными элементами, нового выполнения конструктивных элементов.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании заявляемой полезной модели, является формирование биполярных импульсов тока с высокой точностью задания амплитуды и исключения влияния параметров испытуемого полупроводникового прибора на значение амплитуды прямого и обратного тока в каждой паре импульсов.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении точности измерения времени жизни неосновных носителей заряда при больших токах.
Технический результат достигается тем, что установка для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в базах полупроводниковых приборов, включающая источник прямого напряжения, последовательный ключ, развязывающий диод, источник обратного напряжения, параллельный ключ, блок управления, датчик тока, измеритель временных интервалов и клеммы для подключения анода и катода полупроводникового прибора, причем выход последовательного ключа соединен с клеммой для подключения анода полупроводникового прибора, а вход - с катодом развязывающего диода, выход параллельного ключа, положительный полюс источника обратного напряжения и отрицательный полюс источника прямого напряжения через датчик тока соединены с клеммой для подключения катода полупроводникового прибора, выходы блока управления подключены к управляющим входам последовательного и параллельного ключей, а измеритель временных интервалов соединен с датчиком тока и с клеммами для подключения полупроводникового прибора, согласно полезной модели дополнительно содержит транзисторный формирователь импульса прямого тока и транзисторный формирователь импульса обратного тока, при этом вход транзисторного формирователя импульса прямого тока соединен с положительным полюсом источника прямого напряжения, а его выход подключен к аноду развязывающего диода и ко входу параллельного ключа, вход транзисторного формирователя обратного тока подключен к отрицательному полюсу источника обратного напряжения, его выход соединен с выходом последовательного ключа и клеммой для подключения анода полупроводникового прибора, а дополнительные выходы блока управления подключены к управляющим входам формирователей импульсов прямого и обратного тока.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков технического решения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Введение новых конструктивных элементов и новых связей между конструктивными элементами, а также новое выполнение конструктивных элементов заявляемой установки для определения времени жизни диодов и тиристоров, а именно то, что она:
дополнительно содержит транзисторные формирователи прямого и обратного тока,
вход транзисторного формирователя импульса прямого тока соединен с положительным полюсом источника прямого напряжения, а его выход подключен к аноду развязывающего диода и ко входу параллельного ключа, вход транзисторного формирователя обратного тока подключен к отрицательному полюсу источника обратного напряжения, его выход соединен с выходом последовательного ключа и клеммой для подключения анода испытуемого полупроводникового прибора, дополнительные выходы блока управления подключены к управляющим входам формирователей импульсов прямого и обратного тока
в совокупности с известными признаками технического решения обеспечивает формирование стабилизированных импульсов прямого и обратного тока, амплитуда которых не зависит от параметров испытуемых полупроводниковых приборов. Выполнение требования о соотношении между амплитудами обратного тока первой и второй пары импульсов, равном е=2,71 повышает точность измерения времени жизни неосновных носителей заряда в базах диодов и тиристоров.
Это объясняется тем, что по сигналу, поступившему от блока управления, последовательный ключ открыт, параллельный ключ закрыт, формирователи импульса прямого тока и импульса обратного тока одновременно начинают формирование прямоугольных импульсов, причем амплитуда импульса прямого тока, как правило, на порядок больше амплитуды импульса обратного тока. Через испытуемый полупроводниковый прибор формируется импульс прямого тока с амплитудой, равной разности заданных формирователями значений. Через интервал времени порядка 1-2 мс последовательный ключ закрывается, а параллельный ключ одновременно открывается, обеспечивая формирование максимально короткого фронта переключения тока через испытуемый полупроводниковый прибор. По окончании фронта переключения через испытуемый полупроводниковый прибор протекает импульс отрицательного тока с амплитудой, заданной транзисторным формирователем обратного тока. Поскольку внутреннее сопротивление формирователя обратного тока составляет не менее 10 кОм, а динамическое сопротивление испытуемого полупроводникового прибора намного меньше - от 0,04 мОм до 50 мОм, то амплитуда обратного тока остается равной заданному значению и не зависит от параметров испытуемого полупроводникового прибора. При формировании второй пары разнополярных импульсов установка работает аналогично, с тем отличием, что амплитуда импульса обратного тока в е=2,71 раза меньше, чем в первой паре, а амплитуда импульса прямого тока поддерживается равной амплитуде тока в первой паре.
Таким образом, в заявляемой установке для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в базах диодов и тиристоров за счет всей совокупности признаков обеспечивается формирование через испытуемый полупроводниковый прибор двух пар импульсов прямого тока и обратного тока с высокой степенью стабильности заданных значений амплитуд импульсов, и, следовательно, повышение точности определения значения времени жизни неосновных носителей заряда у испытуемого полупроводникового прибора.
Установка для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в базах диодов и тиристоров поясняется чертежом, на котором приведена функциональная схема заявляемой установки (фиг. 1).
Установка для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в базах полупроводниковых приборов (например, диодов, тиристоров и т.п.) (фиг. 1) содержит источник прямого напряжения 1, транзисторный формирователь импульса прямого тока 2, параллельный ключ 3, развязывающий диод 4, последовательный ключ 5, клеммы 6.1 и 6.2 для подключения анода и катода полупроводникового прибора, транзисторный формирователь импульса обратного тока 7, источник обратного напряжения 8, датчик тока 9, блок управления 10 и измеритель временных интервалов 11.
Положительный полюс источника прямого напряжения 1 через транзисторный формирователь прямого тока 2 соединен с входом параллельного ключа 3 и анодом развязывающего диода 4. Катод развязывающего диода 4 соединен с входом последовательного ключа 5, выход которого соединен с клеммой 6.1 для подключения анода испытуемого полупроводникового прибора и выходом транзисторного формирователя обратного тока 7, вход которого подключен к отрицательному полюсу источника обратного напряжения 8. Отрицательный полюс источника прямого напряжения 1, выход параллельного ключа 3 и положительный полюс источника обратного напряжения 8 через датчик тока 9 соединены с клеммой 6.2 для подключения катода испытуемого полупроводникового прибора. Выходы блока управления 10 подключены к управляющим входам транзисторных формирователей импульса прямого и обратного тока 2 и 7. Дополнительные выходы блока управления 10 подключены к управляющим входам параллельного и последовательного ключей 3 и 5. Измеритель временных интервалов 11 соединен с измерительными клеммами датчика тока 9 и с клеммами 6.1 и 6.2 для подключения испытуемого полупроводникового прибора.
Установка для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в базах диодов и тиристоров работает следующим образом.
Для формирования положительного импульса тока по сигналам с выхода блока управления последовательный ключ 5 открывается, и формирователи положительного импульса тока 2 и отрицательного импульса тока 7 формируют положительный импульс тока через испытуемый полупроводниковый прибор, амплитуда которого равна разности амплитуд выходного тока формирователей 2 и 7, а длительность соответствует условиям заданного режима измерений. По достижении заданной условиями измерений длительности по сигналам от блока управления 10 одновременно открывается параллельный ключ 3 и закрывается последовательный ключ 5, что обеспечивает формирование максимально короткого фронта перехода тока через испытуемый полупроводниковый прибор с прямого на обратный.
Развязывающий диод 4, обладающий весьма малым временем обратного восстановления, равным примерно 2-3 нс, предотвращает протекание тока обратного восстановления испытуемого полупроводникового прибора через открывающийся параллельный ключ 3 во время коммутации последовательного ключа 5, время запирания которого может составлять до 50 нс. По окончании коммутации ключей 3 и 5 ток от формирователя прямого тока 2 протекает через параллельный ключ 3, а через испытуемый полупроводниковый прибор протекает импульс обратного тока от формирователя обратного тока 7. Амплитуда обратного тока составляет, как правило, 10-15% от амплитуды прямого тока, а его длительность определяется длительностью процесса обратного восстановления испытуемого полупроводникового прибора и фиксируется измерителем временных интервалов 11, который измеряет интервал времени между переходом прямого тока через ноль и моментом времени, в который изменяется полярность напряжения на испытуемом полупроводниковом приборе. Затем по сигналам от блока управления происходит формирование второй пары прямого и обратного тока через испытуемый полупроводниковый прибор аналогично тому, как происходило формирование первой пары импульсов. Но амплитуда обратного тока во второй паре импульсов в е=2,71 меньше, чем в первой паре. Длительность процесса обратного восстановления при меньшем обратном токе происходит в течение большего интервала времени, который также фиксируется измерителем временных интервалов 11. Если разность амплитуд обратных токов в первой и второй парах равна е=2,71, то разность длительностей импульсов обратного тока, т.е. разность длительностей процессов обратного восстановления испытуемого полупроводникового прибора, равна значению времени жизни неосновных носителей в его базовой области.
В установке, выбранной в качестве прототипа, и амплитуда прямого тока через испытуемый полупроводниковый прибор, и амплитуда обратного тока в каждой паре импульсов определяются отношением величины напряжения источника прямого либо обратного напряжения к сумме сопротивлений резистора, включенного последовательно с выходом соответствующего источника (токозадающего резистора), и динамического сопротивления испытуемого полупроводникового прибора. При проведении измерений с большими значениями амплитуды прямого и обратного тока, типичными для силовых полупроводниковых приборов, сопротивление токозадающих резисторов оказывается всего в 10 раз больше значения динамического сопротивления испытуемого полупроводникового прибора. Изменение величины динамического сопротивления испытуемого полупроводникового прибора приводит к ошибке измерений времени жизни. Эта ошибка обусловлена нестабильностью амплитуды прямого тока и несоблюдением требования о том, что отношение амплитуд импульсов обратного тока в первой и второй паре импульсов должно быть точно равно е=2,71. В заявляемой установке влияние динамического сопротивления испытуемого полупроводникового прибора на величину амплитуды прямого либо обратного тока исключено, так как значение амплитуд тока определяется внутренним сопротивлением транзисторных формирователей тока, которое на несколько порядков больше динамического сопротивления испытуемого полупроводникового прибора.
Как видно из вышеизложенного, в заявляемой установке для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в базах диодов и тиристоров обеспечивается высокая стабильность амплитуд прямого и обратного тока и точное соотношение между амплитудами импульсов обратного тока в первой и второй паре импульсов, не зависящее от параметров испытуемого полупроводникового прибора и, следовательно, высокая точность определения значения времени жизни неосновных носителей заряда.
Заявляемая установка для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в базах диодов и тиристоров может быть реализована на известном оборудовании с помощью известных материалов и средств, что подтверждает ее промышленную пригодность.