Устройство для измерения комплексной проводимости

Устройство для измерения комплексной проводимости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (i i>987535

Союз Советскиз

Социалистическил

Республик (61). Дополнительное к авт. саид-ву (22)Заявлено 29,04;81. (21) 3280738/18-21 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 07. 01.83. Бюллетень ¹ 1 (5!)М. Кл .

G О1 R 27/02

Гесударстаееый кемлтет (53) УДК 621,.»7..3(088.8) вв делам лзовретеалй и етерытий

Дата опубликования описания 07. 01. 83

1. (72) Авторы изобретения

В.И.Усик и С.Б. Севастьянов,,.

Новосибирский государственный . иверси комсомола нского (71) Заявитель (5") УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ

ПРОВОДИМОСТИ

Изобретение относится к контроль но-измерительной технике и может быть использовано для измерения про" водимости 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, представимых в виде параллельной схемы замещения (емкость и проводимость).

Известно устройство для измерения полных проводимостей и добротности нелинейных элементов, содержащее измерительный контур, переклю-. чатель, образцовые активную и реак- тивную проводимость, источник и измеритель напряжения, аналоговый де1 литель, блок регистрации тетремума, блок дифференцирования, усилительограничитель, элементы НЕ и ИЛИ, RS-триггер, блок управления, два синхронных демодулятора, блок срав нения, триггер, интегратор, логичес" кие элементы И 1

Недостатком устройства является то, что оно не дает представления о частотной характеристике измеря10 емого объекта, Наиболее близким техническим решением к изобретению является при= .бор для измерения и регистрации С-0 и G-U характеристик., который содержит высокочастотный генератор, выл ход 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 сое.

30

3 9875 динен 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 авто матической подстройки частоты, выход последнего соединен со входом перестраиваемого высокочастотного, >0 а выход первого высокочастотного генератора соединен с первым входом второго балансного смесителя и вторым входом блока автоматической подстройки 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 селективного усилителя и входом третьего синхронного детектора, выход которого соединен с регистратором, выход второго селективного усилителя соединен также со вторым входом фазочувствительного управляемого делителя напряжения, второй идентичный канал, содержащий третий низкочастотный. генератор, генератор, первый сумматор, выход которого соединен с первым выводом образца С, второй вывод которого соединен со входом третьего селективного усилителя, четвертый селективный усилитель, четвертый и пятый синхронные детекторы, второй управляемый делитель напряжения, шестой фазочувствительный детектор, фильтр низких частот, делитель напряжения, источник посто40 янного напряжения, генератор треугольного напряжения, второй сумматор, эталонную емкость С . Введение двух структурно-идентичных каналов позво .ляет проводить С-U u G-U измерения одновременно на двух фиксированных частотах (23.

Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет проводить измерения на произвольно выбранной частоте, а также не позволяет снимать частотные зависимости емкости и проводимости, Не,возможность автоматической перестройки на заданный диапазон частот снижает в конечном итоге точность измерений вследствие того, что характерные времена некоторых процвссов в полупроводниках меньше времени или сравнимы со временем ручного измерения и не могут быть зафикси. рованы 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 широкополосный усилитель, выход которого соединен с первым входом первого балансного смесителя, подключенного вторым входом к выходу перестраиваемого высокочастотного (ВЧ) генератора> а выходом — Ko 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 регист. ратор, введены выходной блок, преобразователь частота — напряжение,, RC-фильтр, переключатель пределов, измерительный конденсатор, второй широкополосный усилитель, второй селективный усилитель, третий балансный смеситель, три усилителя постоянного тока, источник опорного напряжения и управляемый фазовращатель, первый вход которого под ключен 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 по987535 6 следнего подключен 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 - c первым входом второго синхронного детектора, выход которого соединен со вхо- 1в дом первого усилителя постоянного тока, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход — через RC-фильтр со вторым входом управляемого фазовращателя, 15 вход переключателя пределов соединен с вторым зажимом для подключения полупроводникового образца, выход - ка 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 25 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 функциональная электрическая схема устройства, Устройство содержит высокочастотный генератор 1, управляемый фазовращатель 2, балансный смеситель 3, фильтр 4 низких частот, выходной блок

5, блок 6 постоянного смещения, перестраиваемый высокочастотный генератор

7, блок 8 управления, первый широко. полосный усилитель 9, первый балансный смеситель 10, первый селективный усилитель 11, третий синхронный детектор 12, третий усилитель 13 постоянного тока, первый синхронный детектор 14, второй усилитель 15 постоянного 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 24 пределов, эталонный кон-

55 денсатор 25, измерительный конденсатор 26, Устройство работает следующим образом, Высокочастотный сигнал от высоко. частотного генератора 1 с частотой поступает через управляемый Фазо4 вращатель 2 на вход балансного сме-. сителя 3, на второй вход которого поступает высокочастотный сигнал от перестраиваемого высокочастотного генератора, частота которого может меняться от У до f> После смешивания в балансном смесителе 3 и прохождения фильтра 4 низких частот, на входе выходного блока 5 появляется сигнал, частота которого может меняться от f>=f<-f до f+— - f -Г

В выходном блоке 5 происходит стабилизация сигнала с частотой f -1 по амплитуде с точностью лучше 14.

С выхода входного блока 5 сигнал поступает на вход преобразователя

22 частота - напряжение, где происходит линейное преобразование частоты f f 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 частото" fu-f> с выхода выходного блока 5 поступает на эталонный конденсатор (С )

25 с большой добротностью, при этом на измерительном конденсаторе (С )

26 выделяется напряжение, пропорциональное току, текущему через эталонный конденсатор () 25, т.е. пропорциональное i С т. Напряжение, выделяющееся на измерительном конденсаторе (С„) 26 поступает на вход широкополосного усилителя 17, С вы— хода широкополосного усилителя сигнал с частотой f>-f Е поступает на вход балансного смесителя 17, на второй вход которого с перестраиваемого высокочастотного генератора 7 поступает напряжение постоянной амплитуды с частотой f -:f> . Сигналы этих частот смешиваются в балансном смесителе 17 и поступают на вход селективного усилителя 18, где происходит выделение частоты f (f< =

=f>-f> ) . 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 fq, Постоянное напряжение с выхода синхронного детектора 19 поступает

9875

35

7 на усилитель 20 постоянного тока обратной связи, где сравнивается с

U 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 детектора 19 поддерживается равным ну- 10 лю, т.е. выполняется условие

605 (А+ -"+дЯ(ф)) -Q ч ч

qA+ q(<)=0, (q ) где Ч - фаза сигнала с частотой

ft.: f8 дЦ (+)- изменение фазы сигнала.

Одновременно сигнал с частотой

1 - .f0 с выхода выходного блока 5 поступает на полупроводниковый образец 23, при этом.на измерительном конденсаторе (C„) 24, который выбирается переключателем 24 пределов, возникает напряжение, пропорциональное току, текущему через по- 25 лупроводниковый образец, т.е. пропорциональное G +i С . 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 т - .f от перестраиваемого высокочастотного генератора 7. Сигналы этих частот смещиваются в балансном смесителе 10 и поступают на вход селективного усилителя 11, где происходит вь1деление частоты Г4(Г =Ф -f>, f — — 1,-f ), 40

Сигнал с частотой 1 с выхода селективного усилителя поступает на вход синхронных детекторов 12 и

14. Так как на балансные смесители

10 и 17 поступают одинаковые сигна45 лы от перестраиваемого высокочастотного генератора 7, то переменные напряжения на входах будут отличаться на фазовый множитель, отражающий разность сдвигов фаз эталонным кон50 .денсатором 25 (7с(2.) и полупроводниковым образцом 23 (9>) . Это означает, что постоянное напряжение на выходе синхронного детектора 12 будет пропорционально соз(„ + „+дд(t))

55 а на выходе синхронного детектора

1 4 - пропорционально cos (фд+,+д (t ) +

+ ), следователЬно на выходе синхронногп детектора 12 имеем постоенное

35 .8 напряжение, пропорциональное cosg„=

=Г, а на выходе синхронного детектора 14 - постоянное напряжение, пропорциональное 51п р1,=С1,. 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 14 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,:f для записи G-K, СС-Ю зависимостей. С выхода блока 6 постоянного смещения на полупроводниковый образец 23 поступает постоянное поляризующее напряжение, которое также может изменяться пилообразно для записи соответствующих зависимостей G-U или С-U.

В предлагаемом устройстве по сравнению с известным прибором АИП 1531 для измерения и регистрации С-0 и

G-U-характеристик имеется возможность измерения на любой частоте в диапазоне 0,3-400 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 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 соеди9875 нен через перестраиваемый высокочастотный генератор с выходом блока управления, второй и третий синхронные детекторы, образцовый конденсатор, блок постоянных смещений, фильтр низких частот и регистратор, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с це.лью расширения частотного диапазона измерений и повышения быстродействия, в него введены выходной блок, пре- 1О образователь частота - напряжение, КС-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 первому выходу высокочастотного генератора, выход - к первому входу второго балансового 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, выход которого 3О соединен с регистратором, при эточ выход блока управления перестраиваемого 8Ч генератора соединен с вторым входом третьего балансного смесителя, первый вход которого соединен с выходом второго широкополосного усилителя, вход последнего под35, . 10 ключен 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

КС-фильтр - c 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 регистра" тору, выход первого селективного усилителя соединен с первыми входами третьего синхронного детектора, выход которого через третий усилитель постоянного тока соединен c регистратором, управляющие входы синхронных детекторов соединены с вторым выходом высокочастотного генератора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

0 691781, кл. G 01 R 27/26, .1977.

2. "Приборы и системы управления", 1980, Н 1. с. 33.(прототип).

987535

Составитель Л. Сотникова

Редактор Н.Егорова .Техред M.Ãåðãåëü Корректор Н ° Король

Заказ 10297/33 Тираж 708 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент, r. Ужгород, ул. Проектная,