CC BY
57
sik -
sin2 ©g + cos? ©g2 0 - sin20(s1 -s2)
0 1 0 -sin20(s1 -s2) 0 coS^ ©g + sin2 6fe2
. (6)
Если граничат два кристаллита с различной ориентацией, то вдали от границы на поверхности этих кристаллитов будут присутствовать равновесные потенциалы:
Ф1 - E0А+/4-" и Ф2 - E0-
Х(0) А8
где D
kT ^
1/2
2
V ne
, а g ZZ и g Z2) — составляющие
0
л
тензора g для одной и другой кристаллографической ориентации кристаллитов. Для оценки средней разности потенциала между соседними кристаллитами предположим, что их ориентации не скоррелированы
между собой, т.е. равновероятны любые углы ©1 и
п
©2 в пределах от 0 до ~ (рис.2). С учетом
2
соотношения (6) получим
Ag
в |Аф| - A^/s2 . Это
6
где в - —. При малых g 2
соотношение верно с точностью ~ 7% до значений Р=0,5- Для средней тангенциальной компоненты электрического поля на границе кристаллитов получим оценку:
Etg -Афт(р)
1
12
Е0.
Для анизотропии g ~ 10% средняя тангенциальная составляющая будет достигать ~1% от приложенного поля E0 , что важно в технических применениях монокристаллических образцов, где требуется соблюдать тщательные условия однородности электрического поля вдоль поверхности.
Литература: I. Добрецов Л.Н., Гомоюнова Н.В. Эмиссионная электроника. М: Наука, 1966. 564 с. 2. Пека Г.П. Физические явления на поверхности полупроводников. К.: Вища шк., 1984. 215 с. 3. ГоркунЮ.И. О влиянии токовых электродов на изменение сопротивления в магнитном поле// Физика твердого тела. 1961. Т. 3, №1. С. 236-242. 4. Seiwatz R, Green M//J.Appl.Phys.,Vol. 29, 1958. C. 1034.
п/2 п/2 ______________ _______________
|Аф-AI d© I d©2 \sj g2 + Agcos2 © —jg2 +Agcos2 ©2 |x
0 0
xsin© sin©2, Ag-gj -g2, A - Ес,АХ(0).
Интегрирование этого соотношения дает:
(і+рГ+1(1+рГ- - 4 -VP Ц/р Аї+р)
- aMP),
x
Поступила в редколлегию 27.09.98 Рецензент: канд. физ.-мат. наук Шалаев В.А.
Спицын Александр Иванович, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХТУРЭ. Адрес: Украина, 310111, Харьков, ул. Тимуровцев, 82, кв. 48.
Ванцан Витольд Марьянович, канд. физ.-мат. наук, профессор кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХТУРЭ. Адрес: Украина, 310105, Харьков, ул. Костычева, 25 А, кв. 43.
УДК 681.513.3
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ
КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ
ВОЛЬТАМПЕРНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ
КОЛОМОЕЦГ.П., СЕРОВ Л.А, ОСАДЧИЙВ.В.
Описывается аппаратно-программный комплекс для измерений вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов, состоящий из персонального IBM-совместимого компьютера, платы сбора аналоговых данных ET1050 производства фирмы “Терекс” и цифрового универсального вольтметра (В7-21А). Комплекс обеспечивает автоматические измерения в диапазоне токов 10-9 - 10-2 А при программно задаваемых напряжениях смещения -4,5 - +4,5 В.
1. Описание аппаратной части комплекса
Плата сбора аналоговой информации ЕТ1050 производства фирмы “Терекс” представляет собой 10-разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) с 16 аналоговыми входами и четыре 10разрядных цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП), размещённых на плате со стандартным интерфейсом ISA. При построении комплекса была поставлена задача обеспечить измерение вольтамперных характеристик (ВАХ) полупроводниковых приборов в широком диапазоне значений тока. Поэтому было принято решение в качестве измерителя тока использовать универсальный вольтметр В7-21А с обеспечением отсчета измеряемых значений через разъём алфавитно-цифрового печатающего устройства. Поскольку для регистрации двоично-десятичного кода отсчёта вольтметра необходимо 25 сигнальных линий (4 тетрады для 4 значащих цифр + 1 линия для старшего значащего разряда + 8 линий - для порядка), была разработана интерфейсная плата ЦАП на микросхемах К555ИД10 (рис. 1,а) для тетрад, определяющих значащие цифры величины тока, и ЦАП
38
РИ, 1998, № 3
а б
Рис. 1. Схемы ЦАП, преобразующие двоично-десятичный код каждой значащей цифры (а) и порядка (б) величины тока в постоянное напряжение (R=100 Ом, RH=1 кОм)
на микросхемах К155ЛН2 (рис.
1 ,б) для определения порядка измеряемого тока [1]. Обе схемы ЦАП преобразуют двоично-десятичный код на выходе разъема алфавитно-печатающего устройства вольтметра в постоянное напряжение различного уровня. Эти напряжения (5 линий — значащие цифры и 1 линия — порядок) подавались на 6 входов АЦП платы ET1050 и обрабатывались программой, выполняемой на компьютере. Нулевой канал ЦАП использовался для подачи напряжения смещения (-4,5 - +4,5В) на измеряемый прибор. Следует отметить, что в предлагаемом виде установка может использоваться для измерения ВАХ только маломощных полупроводниковых приборов, поскольку максимальный нагрузочный ток ЦАП составляет 10мА. Дальнейшая модернизация предлагаемого аппаратно-программного комплекса может включать использование в его составе стандартного источника питания Б5-45, управляемого с помощью программы, выполняемой на компьютере. Это позволит значительно расширить ди -апазон напряжений смещения и максимальных величин, пропускаемых через исследуемый прибор токов.
2. Описание программного обеспечения
Процесс измерений выполняется под управлением программы, разработанной на языке программирования Си. Она состоит из модуля ввода-вывода (Приложение 1) и самой программы (Приложение 2), управляющей измерениями.
2.1. Модуль ввода-вывода
Модуль ввода-вывода (сохраненный в файле lowio.cpp) активизирует канал АЦП (функция SeleGChane^ )) путём записи в порт с адресом 103H числа от 0 до 15 (равного номеру выбранного канала). Загрузка данных АЦП в активный канал (функция TakeADCData( ))происходит следующим образом. Программируется таймер К580ВИ53 в режиме 1 (ждущего мультивибратора) [2]. Для этого: в порт 113H, соответствующий адресу управляющего регистра таймера, записывается число 32H, определяющее байт режима таймера; в порт 110H, соответствующий адресу счетчика канала 0 таймера, записывается число 02H (младший байт делителя); в порт 110H записывается число 00H (старший байт делителя).
Между выводами байтов в регистре таймера необходимо обеспечить временной интервал не менее 1 мкс. Это выполняется путём программной задержки delay (1).
Следующий шаг—программирование чипа АЦП на запуск. Для этого в порт 114H записывается управляющий байт 82H. В двоичном виде число 82H означает следующее: младший бит 0 — разрешение тактирования таймера по входу GATE0; 1 — установка в 0 адреса внутреннего буферного ОЗУ; 0 — перевод в активное состояние выходов АЦП; 0—запрет ПДП;
0 — запрет аппаратного прерывания; 0 — запрет циклического опроса каналов; 0 — внутреннее тактирование; старший бит 1 — запрет внешнего запуска.
Следующий шаг — программирование АЦП на останов и фиксацию последних данных. В порт 114H записывается управляющий байт 83H. В двоичном виде число 83H означает следующее: младший бит 1— запрет тактирования таймера по GATE0; 1—установка в 0 адреса внутреннего ОЗУ 0 — перевод в активное состояние выходов АЦП; 0 — запрет ПДП; 0 — запрет аппаратного прерывания; 0 — запрет циклического опроса каналов; 0 — внутреннее тактирование; старший бит 1 — запрет внешнего запуска.
Следующий шаг — чтение из регистров АЦП данных, возвращаемых функцией TakeADCData( ). Младший байт читается по адресу 116H, старший—по адресу 117H. При этом выполняется маскирование шести старших незначащих битов старшего байта (используемый АЦП имеет 10 разрядов).
Функция SendDACData( ) позволяет устанавливать значение напряжения смещения на выходе выбранного канала ЦАП. Это выполняется путем записи числа, определяющего величину напряжения смещения, в регистр выбранного ЦАП. В случае нулевого канала в порт с адресом 11EH записывается младший байт числа, а в порт с адресом 11FH—старшие два бита (остальные 6 бит не используются). Диапазон -4,5 -+4,5 В разбит на 1024 значения. Числа 0, 512, 1023 соответствуют +4,5, 0, -4,5 В, поэтому для установки значения нулевого напряжения необходимо к значению переменной d прибавить 512. Следует отметить, что выходное напряжение ЦАП изменялось от 0 до -4,5 В, а необходимая полярность прикладываемого к исследуемому образцу напряжения достигалась соответствующим подключением выводов полупроводникового прибора.
РИ, 1998, № 3
39
РС
ЦАП
АЦП ЕТ1050
2.2. Основная программа
В заголовке программы подключаются необходимые библиотеки стандартных функций и модуль ввода-вывода (lowio.cpp).
После объявления глобальных переменных описывается функция TakeADCData_( ), возвращающая значащую цифру каждого разряда табло вольтметра. Так как ЦАП на дешифраторе К555ИД10 преобразует двоично-десятичный код, соответствующий цифре на табло вольтметра, в постоянное напряжение различного уровня, то в целях определения этой цифры выбирается среднее значение между двумя соседними величинами постоянного напряжения ЦАП, которые пересчитываются в целые значения в диапазоне от 0 до 1024 (например, для 0,3B X=(0,3*512)/4,5=34,133333 и 34). Программа сравнивает эти средние значения с выданным АЦП значением и определяет число, отображаемое на табло (таблица).
В таблице (N — число на табло, U — напряжение на выходе ЦАП , S — среднее значение напряжения, P — пересчитанные значения) приведены средние значения, определяющие значащие цифры величины измеряемого тока. Так, если напряжение на выходе ЦАП меньше 0,3 В, то табло отображает 0, если больше 0,3 В, но меньше 0,7 В, то на табло содержится 1, и т.д. Аналогичная процедура выполняется и при определении порядка измеряемого тока.
Функция ReadIt_( ) возвращает значения тока. Она использует функции SelectChanel( ) и TakeADCData_( ), определенные ранее для 5 — 2 каналов (канал 5 — старший значащий, канал 2 — младший значащий разряд). Значения канала 1 было решено не принимать во внимание ввиду отсутствия стабильности значений в самом младшем разряде (т.е. не учитывалось значение третьей цифры после запятой). Также следует отметить, что старший разряд вольтметра В7-21А может принимать значения либо 1, либо 0, поэтому сигнальная линия этого разряда подключалась к плате ЕТ 1050 посредством свободного инвертора одной из микросхем К155ЛН1, использующейся для определения порядкатока (рис. 1,б). При этом, если на этой линии наблюдается потенциал более 1 В, программа рассматривает эту ситуацию как отображение 1 в старшем значащем разряде, в противном случае старший значащий разряд принимается равным нулю. Через канал 6 вводится информация о порядке измеряемого тока, на основании которой вычисляется коэффициент, необходимый для расчета значения измеряемого тока в амперах.
Главная функция программы (main) орга-
низует цикл, в ходе которого изменяется напряжение смещения на исследуемом образце от 0 до -4,5В с шагом d= 4*4,5В/511» 35,2 тВ путем соответствующего программирования ЦАП. Данный шаг выбран исходя из значения теплового потенциала при комнатной температуре и достаточного количества точек измерения (максимум 128). При каждом напряжении смещения функция ReadIt_( ) возвращает ток, протекающий через исследуемый образец. ВАХ образца в виде таблицы значений напряжения смещения и тока сохраняется в файле data.csv (в формате данных, разделённых запятой). Такой файл может быть обработан стандартными табличными процессорами.
На рис. 2 приведена схема измерения ВАХ тока базы Д, кремниевого биполярного транзистора КТ3102, а на рис. 3 — кривая ВАХ, построенная с помощью табличного процессора Excel по значениям тока и напряжения смещения, измеренным описываемым аппаратно-программным комплексом.
+5В
Рис. 2. Схема измерения ВАХ тока базы транзистора КТ3102
С
w
о
н
1,00E-03 1,00E-04 -1,00E-05 -1,00E-06 -1,00E-07 -1,00E-08 --
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
N U
0 0.12
1 0.55
2 0.88
3 1.16
4 1.40
5 1.63
6 1.82
7 2.14
8 2.27
9 2.40
S P
0.3 34
0.7 80
1 114
1.25 142
1.49 169
1.69 192
2 227
2.18 248
2.31 263
Напряжение Ube, В Рис. 3. Экспериментальная ВАХ 3. Выводы
Предлагаемый аппаратно-программный комплекс может быть использован для автоматизированных измерений вольтамперных характеристик маломощных полупроводниковых приборов с последующей обработкой измеряемых данных на персональном компьютере. Точность измерений определяется погрешностью измерений цифрового универсального вольтметра (не более ±1%).
Использование предлагаемого комплекса позволит существенно повысить качество исследований, так как за относительно короткий интервал времени можно получить статистические наборы характеристик, позволяющие с определенной достоверностью делать научные выводы.
Разработанный аппаратно-программный комплекс может обеспечивать высокую дискретизацию, что представляет определенные преимущества при исследовании приборов с нелинейными вольтамперными характеристиками.
Обработка измеренных значений с помощью стандартных табличных процессоров открывает широкие возможности для расчета различных параметров полупроводниковых приборов и выполнения
40
РИ, 1998, № 3
моделирования физических процессов в исследуемых структурах.
Приложение 1
Модуль ввода-вывода lowio.cpp #include <dos.h> typedef unsigned int char word; typedef unsigned int char byte;
//Set active input chanel void SelectChanel (byte index)
{outportb (0x103, index &0xF);}
//Load ADC data word TakeADCData (void)
{outportb (0x113, 0x32); delay (1);
ouportb (0x110, 2); delay (1);
ouportb (0x110, 0); ouportb (0x114, 0x82); ouportb (0x114, 0x83); return 0x3FF & inport (0x116);}
//Send DAC data into chanel #0 void SendDACData (word d)
{ouportb (0x11E, d + 512);}
Приложение 2
Программа, управляющая измерениями #include <stdio.h>
#include <io.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys\stat.h>
#include <string.h>
#include “lowio.cpp”
#include <math.h>
double a[512];
double b[512];
int i = 0;
int mode = 0;
double I_ = 0, U;
word TakeADCData_ (void)
{word c, d=0;
c = TakeADCData () - 512; if (c>=34) d++; if (c>=80) d++; if (c>=114) d++; if (c>=142) d++; if (c>=169) d++; if (c>=192) d++; if (c>=227) d++; if (c>=248) d++; if (c>=263) d++; return d;}
double ReadIt_ (void)
{
word b; double q=0;
SelectChanel(5); b=TakeADCData_ (); q=q*10+(b>114 ? 1 : 0);
SelectChanel(4); b=TakeADCData_ (); q=q*10+b;
SelectChanel(3); b=TakeADCData_ (); q=q*10+b;
SelectChanel(2); b=TakeADCData_ ();
q=q*10+b; SelectChanel(6); b=TakeADCData_ (); mode=b;
if (b= =0 if (b= =2
b= =3) q/=10; b= = 5) q/=100;
if (b= =4) q/=1000; if (!b) q/=1000000000;
if (b= =1 if (b= =4
I_=q;
b= =2 || b= =3) q/=1000000; b= =5) q/=1000;
return q;
}
void main (void)
{
int h;
double tmp; char s[80];
h= open (‘’data.csv’’, O_TEXT + O_WRONLY + O_ CREAT + O_ TRUNC, S_IWRITE ); for ( int j = 0; j < 511; j+=4)
{
SendDACData ( j );
U=j*4.5/511; tmp=ReadIt (); a[i++]=tmp; b[i++]=U;
sprintf (s, ‘’%.10f %.10f\n‘’ a[i++], b[i++]); write (h, s, strlen (s)); if a[ i ] > 0.009 goto l1;
}
l1: close (h); printf ( ‘’Done. \n );
}
Литература: 1. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC / Пер. с англ./ Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. М.: Мир, 1992. 592с. 2. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В Якубовский и др. М.: Радио и связь, 1989. 496с.
Поступила в редколлегию 12.09.98 Рецензент: д-р физ.-мат. наук Савин В.В.
Коломоец Геннадий Павлович, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры компонентов и материалов электронной техники Запорожской государственной инженерной академии. Научные интересы: исследование флук-туационных явлений в полупроводниковых приборах, измерительная техника, компьютерная техника. Адрес: Украина, 330006, Запорожье, пр. Ленина, 226, тел. (06122) 2-72-40.
Осадчий Виктор Владимирович, студент группы КМЭТ-1-93 Запорожской государственной инженерной академии. Адрес: Украина, 330006, Запорожье, пр. Ленина, 226, тел. (06122) 2-72-40, 57-32-24.
Серов Леонид Александрович, соискатель Запорожской государственной академии. Научные интересы: исследование физики и технологии изготовления биполярных транзисторов. Адрес: Украина, 330005, Запорожье, пр. Ленина, 226, тел. (06122) 2-72-60.
РИ, 1998, № 3
41
