Исследования полупроводниковых приборов с помощью измерителя иммитанса Е7-20

Рассмотрены особенности программного обеспечения, предназначенного для автоматизации измерений вольтамперных и вольт-фарадных характеристик прибором Е7-20, а также возможности математической обработки полученных результатов с помощью графического постпроцессора.

Большинство современных электроизмерительных приборов позволяют осуществлять управление процессом измерений и регистрацию полученных данных с помощью ПЭВМ, подключаемой через интерфейс RS-232 или USB. При этом математическая обработка результатов, например выполняемая с использованием стандартного графического постпроцессора, предоставляет потребителям уникальные возможности по анализу характеристик исследуемых полупроводниковых приборов (ИПП) [1, 2].

Одним из высококачественных средств измерений, обеспечивающим совместную работу с ПЭВМ, является измеритель иммитанса (RLC) Е7-20, выпускаемый ОАО «МНИПИ» [3]. Е7-20 – прецизионный прибор класса точности 0,1 с широким диапазоном рабочих частот от 25 Гц до 1 МГц и скоростью измерений до 25 измерений/с позволяет:
- измерять индуктивность (L_S, L_P), емкость (С_S, С_P), сопротивление (R_S, R_P), проводимость (G_P), фактор потерь, добротность, модуль комплексного сопротивления (Z), реактивное сопротивление (X_S), угол фазового сдвига, ток утечки (I);
- осуществлять предварительную математическую обработку результатов (усреднять параметры по десяти или ста измерениям, выполнять допусковый контроль, определять процентное отклонение измеряемых параметров от заданной величины);
- изменять уровень среднеквадратического значения (СКЗ) измерительного сигнала от 0,04 до 1 В;
- устанавливать напряжение смещения на измеряемом объекте в диапазоне от 0 до 40 В с помощью внутреннего источника напряжения.

1 Отображаемая на дисплеях измерителей иммитанса величина емкости чаще всего не постоянна вследствие действия наводок, помех и других причин. Даже изменение положения пользователя, выполняющего измерения, относительно ИПП, например, при переключении режима работы на панели измерителя иммитанса или приближении пользователя к табло прибора для визуального считывания информации, может вызвать изменение величины регистрируемой емкости. В связи с этим, особенно при измерениях малых емкостей, целесообразно экранировать и жестко механически зафиксировать ИПП в устройстве присоединительном, провести предварительное измерение суммарной паразитной емкости всей установки без ИПП, вычесть суммарную паразитную емкость из результатов измерений ИПП или использовать ее величину для установки нуля измерительной системы. Кроме того, для обеспечения воспроизводимости результатов измерений рекомендуется применять дистанционное управление измерителем иммитанса и усреднение полученных данных.

2 При изменении органами управления Е7-20 величины напряжения смещения требуемый режим на измеряемом объекте будет обеспечен по истечении времени установления, продолжительность которого определяется максимальной нагрузочной способностью внутреннего источника напряжения, суммарной емкостью ИПП и измерителя иммитанса. Для Е7-20 время установления будет:
T_D ≈ 50×V×С_M , (1)

где T_D– время установления [с],
V – напряжение смещения [В],
С_M – величина измеряемой емкости [Ф].

3 Время одного измерения составляет (400±40) мс в режиме «НОРМА».

4 Последовательно с внутренним источником напряжения смещения включен ограничительный резистор с сопротивлением около 1 кОм.
Для автоматизации процесса измерений с учетом указанных особенностей разработано программное обеспечение, при запуске которого на экране ПЭВМ отображается виртуальная панель (рисунок 1), идентичная передней панели измерителя иммитанса Е7-20. Щелкая левой клавишей мыши по кнопкам виртуальной панели, возможно выполнение всех команд прибора Е7-20, в том числе выбор измеряемого параметра и режима измерения, осуществление коррекции нуля и предварительной математической обработки результатов измерений и пр. [4].

Рисунок 1 – Виртуальная передняя панель измерителя иммитанса Е7-20

На виртуальной панели расположено меню команд, позволяющих выбрать из предлагаемого списка COM-порт для подключения ПЭВМ (команда COM port), задать начальные условия (подменю Define initial state команды Tools) и вид измеряемых характеристик (подменю Characteristics команды Tools).
С помощью подменю Define initial state команды Tools устанавливают начальный уровень (Test Level) и частоту (Frequency) измерительного сигнала, а также начальную величину напряжения смещения (Bias) (рисунок 2).

Рисунок 2 – Подменю Define initial state команды Tools

При закрытии, щелчком по кнопке , подменю Define initial state автоматически устанавливаются начальные условия и отображается подменю Automatic measure (рисунок 3), в котором выбирают:
- измеряемый параметр (Select parameter): С, L, R, I, Z. Вид эквивалентной схемы замещения ИПП (последовательной или параллельной) устанавливается прибором Е7-20 автоматически или пользователем с помощью кнопки Menu виртуальной передней панели в соответствии с руководством по эксплуатации [4]. Допустимые на каждом этапе параметры и переменные отображаются в выпадающем окне при щелчке левой клавишей мыши по кнопке ;
- изменяемая переменная (Select variable): уровень (Test Level) или частота (Frequency) измерительного сигнала, величина напряжения смещения (Bias);
- конечное значение изменяемой переменной (End Value) (начальное значение изменяемой переменной устанавливается в подменю Define initial state);
- шаг изменения (Step), который варьируются в зависимости от наименования и конечного значения (End Value) выбранной переменной таким образом, чтобы соответствовать диапазонам установки прибора Е7-20 (разделам 1.2.5, 1.2.6, 1.2.8 руководства по эксплуатации);
- задержку (Delay): 0,25; 1; 10; 100; 500 с. Величина задержки определяет момент времени, в который программой считываются результаты измерений. Использование большой задержки, например 100 с, позволяет регистрировать результаты измерений после установления требуемого напряжения смещения и усреднения результатов по ста измерениям в режиме «НОРМА».

Рисунок 3 – Подменю Automatic measure

После щелчка левой клавишей мыши по кнопке Start начинается выполнение измерений, результаты которых отображаются в реальном масштабе времени, что позволяет пользователю осуществлять их оперативный контроль. Процесс измерений можно приостановить в любой момент с помощью кнопки Stop, и возобновить с остановленного значения переменной, повторно щелкнув по кнопке Start, или с начального значения переменной последовательно щелкнув по кнопкам Reset to initial state и Start. Полученные в результате измерений численные значения параметров возможно сохранить в файле формата *.csv для последующей обработки с помощью программы Microsoft Office Excel или в формате *.csd. Файлы *.csd открываются графическим постпроцессором Probe систем проектирования OrCAD, DesignLab 8.0 [5, 6] или его улучшенной версией Pspice Simulator and Probe waveform viewer системы OrCAD 10.5 [7]. С нашей точки зрения, предпочтительнее применение последней указанной версии постпроцессора, так как она позволяет осуществлять экспорт обработанных результатов в файл формата *.txt.
Перед началом исследований полупроводниковых приборов целесообразно определить сопротивление ограничительного резистора RINT внутреннего источника смещения, величину задержки (D), оценить необходимость математического усреднения результатов измерений, а точнее установить какое количество измерений (N) будет использоваться для усреднения (в приборе Е7-20 разрешены значения N = 1, 10, 100). Так, на рисунке 4 приведены зависимости емкости от напряжения (CV-зависимости) обратно смещенного p-n-перехода, полученные с помощью описанного программного обеспечения и обработанные постпроцессором Pspice Simulator and Probe waveform viewer, причем кривая 1 соответствует D = 1 с, N = 1, а кривая 2 – D = 100 с, N = 100. Очевидно, что результаты измерений кривой 2 более адекватно характеризуют CV-зависимость.

Рисунок 4 – CV-зависимости обратно смещенного p-n-перехода:
кривая 1 соответствует D = 1 с, N = 1, кривая 2 – D = 100 с, N = 100

Для определения величины ограничительного резистора R_INT рекомендуется зарегистрировать вольтамперную характеристику (IV-зависимость) любого внешнего резистора R_EXT с сопротивлением от 100 до 200 Ом. Так как резистор R_EXT соединен последовательно c R_INT, то справедливо соотношение:

Рисунок 5 – IV-зависимость резистора с сопротивлением 178,3 Ом

Применение графического постпроцессора для обработки результатов измерений предоставляет пользователям измерителя иммитанса Е7-20 ряд новых возможностей.
Так, прибор Е7-20 обеспечивает измерение параметров только при одной полярности напряжения смещения. Однако графический постпроцессор позволяет объединить результаты измерений из нескольких файлов с помощью команды Append File и таким образом «сшить» CV-зависимости обратно и прямо смещенного p-n-перехода (рисунок 6а). Для этого в любом текстовом редакторе (в том числе Notepad) необходимо в одном из файлов с результатами измерений формата *.csd изменить имя измеряемого параметра, например C на CF, и полярность напряжения смещения, как показано ниже (красным цветом выделены изменения).

Рисунок 6 – CV-зависимости p-n-перехода при прямом (параметр CF) и обратном (параметр C) смещении: а) «сшитые» из двух файлов, б) «сшитые» из двух файлов с коррекцией разрыва кривой около нулевого напряжения смещения

При объединении CV-зависимостей обратно и прямо смещенного p-n-перехода возможен разрыв кривой (рисунок 6а) около нулевого напряжения смещения вследствие различной величины паразитной емкости при указанных измерениях, который рекомендуется устранить вычитанием избыточной паразитной емкости (кривая C–0.014p на рисунке 6б).
Известно, что при прямом смещении p-n-перехода, приблизительно превышающем 400 мВ, его IV-зависимость описывается соотношением [7]:

где I_PN - ток, протекающий через p-n-переход;
IS - обратный ток насыщения;
V_PN - напряжение на p-n-переходе;
NF – фактор, характеризующий отклонение вольтамперной характеристики от экспоненты;
φ_T – температурный потенциал, φ_T = kT/q;
k – постоянная Больцмана;
T – абсолютная температура;
q – заряд электрона.
Исходя из соотношения (3) по известным величинам I_PN, V_PN и температуре, считая NF = 1, можно определить обратный ток насыщения (параметр IS)

Рисунок 7 – IV-зависимости p-n-перехода при прямом смещении: кривая 1 –результаты измерений, выполненных прибором Е7-20; кривая 2 – результаты измерений без влияния резистора R_INT; кривая 3 – теоретическая зависимость, рассчитанная в соответствии с соотношением (3) без влияния резистора R_INT

Кривая 1 на рисунке 7 соответствует IV-зависимости p-n-перехода, измеренной прибором Е7-20. Так как на ее форму влияет величина ограничительного резистора R_INT = 1109, а p-n-переход и резистор R_INT соединены последовательно, то для получения IV-зависимости p-n-перехода без влияния резистора R_INT построена кривая 2 в соответствии с выражением V/(V/I-1109). По численным данных кривой 2 (I_PN = 3,084 мкА при V_PN = 600 мВ) рассчитан параметр IS = 2,93×10^–16 А, который изменен до IS = 3,75×10^–16 А для наилучшего совпадения кривой 2 и теоретической зависимости (кривая 3), описываемой соотношением (3).

Рисунок 8 – Схема включения БТ для определения сопротивления базовой области

Важным параметром биполярного транзистора (БТ) является сопротивление его базовой области (R_B). В связи с этим весьма актуально определение параметров модели БТ, описывающих зависимость R_B от рабочего тока, а именно: RB – сопротивление базы (максимальное) при внешнем напряжении на p-n-переходах, равном нулю; RBM – сопротивление базы (минимальное) при максимальном базовом токе; IRB – ток базы, при котором сопротивление базы составляет 0,5(RB + RBM). Обычно их идентифицируют из диодной характеристики БТ (рисунок 8), для которой справедливо:
(5)
где R_B(I_E) – сопротивление базы БТ при эмиттерном токе I_E и напряжении на переходе коллектор-база, равном нулю (замкнутом ключе S1 на рисунке 8);
V_BEOFF, V_BEON – напряжение между выводами базы и эмиттера БТ при разомкнутом (коллекторный ток равен нулю, I_C = 0) и замкнутом (напряжение коллектор-база равно нулю, V_CB = 0) ключе S1 и одинаковой величине эмиттерного тока I_E.
На рисунке 9 приведены полученные с помощью Е7-20 и обработанные постпроцессором Pspice Simulator and Probe waveform viewer диодные характеристики БТ без влияния ограничительного резистора R_INT (при I_C = 0, V_CB = 0). На кривых подписаны значения напряжения на эмиттерном переходе при приблизительно равном эмиттерном токе и рассчитанное в соответствии с соотношением (5) сопротивление базовой области.

Рисунок 9 – IV-зависимости диодного включения БТ без влияния ограничительного резистора

В заключение отметим, что относительно высокий уровень измерительного сигнала (0,04 В) затрудняет регистрацию диффузионной емкости p-n-переходов, экспоненциально зависящей от напряжения прямого смещения. Для повышения адекватности таких измерений специалисты ОАО «МНИПИ» могут доработать прибор Е7-20 по заявке потребителей, а также разработать методики работы в графическом постпроцессоре для решения конкретных задач. Выполнение измерений с большой величиной задержки и усреднением параметров на каждом шаге измерений занимает продолжительное время и поэтому не целесообразно для проведения экспресс контроля CV-зависимостей. Однако такие измерения осуществляются автоматически, без участия пользователя, что позволяет применять измеритель иммитанса Е7-20 для многих исследований полупроводниковых приборов вместо зарубежных CV-анализаторов.

Измеритель иммитанса Е7-20 (характеристики прибора)