CC BY
21
ленточной сушильной установки для сушки пасто- Работа выполнена при поддержке гранта Россий-
образных материалов [7] и др.). ского фонда фундаментальных исследований, проект
18-08-00555-а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Небылов, А.В. Гарантирование точности управления / А.В. Небылов. - М.: Наука, Физматлит, 1998. - 304 с.
2. Артемова, С. В. Математическая модель многосекционной сушильной установки на множестве состояний функционирования / С.В. Артемова, А.Н. Грибков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2006. - Т. 12, № 4A. - С. 969-974.
3. Грибков, А.Н. Метод исследования области существования решения задачи оптимального управления при наличии случайных возмущений / А.Н. Грибков, С.В. Артемова, И.А. Куркин, П.А. Подхватилин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2012. - Т. 18, № 2. - С. 345349.4. Муромцев, Ю.Л. Метод синтезирующих переменных при оптимальном управлении линейными объектами / Ю.Л. Муромцев, Л.Н. Ляпин, Е.В. Сатина // Изв. вузов. Приборостроение. - 1993. - № 11-12. - С. 19-25.
5. Грибков, А.Н. Аналитический метод получения видов функций и расчета параметров оптимального управления многомерным объектом с учетом ограничений на управляющие воздействия / А.Н. Грибков, И.А. Куркин // Информатика и системы управления. - 2014. - № 3(41). - С. 71-83.
6. Артемова, С.В. Система робастного энергосберегающего управления процессами нагрева / С.В. Артемова, А.Н. Грибков // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2006. - №5. - С. 31-34.
7. Грибков, А.Н. Информационно-управляющая система динамическими режимами в многосекционных сушильных установках / А.Н. Грибков // Информатика и системы управления. - 2009. - № 2(20). - С. 123 - 129.
УДК 621.396
Ковалев В.С., Нефедьев Д.И., Коршунов Д.В., Васильев А.С., Аброськин Н.С.
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия
МЕТОДИКА ИМПУЛЬСНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
Описана методика автоматизированных измерений удельного и поверхностного сопротивлений полупроводниковых пластин произвольной формы толщиной 0.2—400 мкм по методу Ван-дер-Пау в импульсном режиме с использованием экспериментальной установки. Установка включает в себя компьютер IBM PC, цифровые вольтметры В7-21А, программно управляемый генератор импульсов, устройство выборки-хранения, программно управляемый коммутатор и адаптер-мультиплексор. Она обеспечивает автоматическое переключение зондовых контактов, программируемое задание импульсов напряжения и тока длительностью 10—40 мкс, измерение поверхностного сопротивления в диапазоне 0.05-22^ 106 Ом, удельного сопротивления в диапазоне 2• 103 - 106 Ом■ см при толщине пластины 400 мкм с выводом результатов на монитор и принтер. Погрешность измерения сопротивлений не более 0.8
ВВЕДЕНИЕ
Ввиду сложности технической реализации импульсные измерители удельного сопротивления полупроводниковых пластин не нашли широкого применения, причем погрешность таких измерителей, приведенных в [1, 2], составляет около 20 %. Серийные же цифровые измерители, например ЦИУС13 МП-0.5-001, работающие на постоянном токе, из-за большой величины и длительности протекающего через пластину тока имеют погрешность 5 %, которая обусловлена возникновением термо-ЭДС и ин-жекцией неосновных носителей заряда, особенно при измерении высокоомных пластин [3].
Наиболее быстродействующим и точным четырех-зондовым методом для измерения удельного и поверхностного сопротивлений полупроводниковых пластин является метод Ван-дер-Пау [3, 4], который позволяет измерять сопротивления пластин различной формы: круглых, квадратных, овальных, трапецеидальных и др.
С целью автоматизации и повышения точности импульсных измерений авторами разработаны методика, алгоритмы, программное обеспечение и технические средства, входящие в экспериментальную установку. Установка содержит: программно управляемый генератор импульсов (ПУГИ), устройство выборки-хранения (УВХ), программно управляемый коммутатор (ПРУК), операционные усилители (ОУ), адаптер-мультиплексор (АДМ) — обеспечивающие автоматизированные измерения удельного и поверхностного сопротивлений полупроводниковых пластин различной формы по методу Ван-дер-Пау в импульсном режиме. Метод позволяет исключить влияние инжекции неосновных носителей заряда, термо-ЭДС и перегрев образца.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
На рис. 1 приведена структурная схема экспериментальной установки, где 1 — компьютер; 2 — АДМ; 3 — ПУГИ; 6 — ПРУК; 7, 8 — ОУ1, ОУ2; 9, 10 — УВХ1, УВХ2; 11, 12 - цифровые вольтметры В7-21А; 13 — измеряемая пластина трапецеидальной формы (осколок). ПУГИ содержит (4) — 12-разрядный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) на микросхеме (МС) К110 8ПА1, выходное импульсное напряжение которого 0 - 10 В подается на вход
С выхода ПУГИ импульсное напряжение амплитудой 0 - 200 В длительностью 10-40 мкс поступает через ПРУК и зондовые контакты на пластину для задания
-6 -3
импульсов тока в диапазоне 1-10 -5-10 А, причем для измерения низкоомных пластин используется выход ЦАП, а для измерения высокоомных пластин — выход усилителя ПУГИ.
ПРУК содержит дешифратор команд, ключи и гер-коновые реле и предназначен для коммутации и подключения соответствующих зондовых контактов к выходам ЦАП, ПУГИ и входам ОУ1, ОУ2, которые выполнены на МС КР54 4УД2 и предназначены для усиления малых сигналов импульсов напряжения длительностью 10-40 мкс в диапазоне 2.5-105-0.5 В и импульсов тока в диапазоне 1-106 -5-103мкА. ОУ1, ОУ2 имеют по 3 поддиапазона с КУС = 1000, 100, 10 и автоматическим выбором пределов, причем коммутатор и ключи выполнены на сверхбыстродействующих МС типа AD8 011 фирмы Analog Devices (США) с временем переключения 30 нс. Измерение импульсов тока через пластину осуществ-
ляется с помощью эталонного резистора ЯИ
250
усилителя (5) с коэффициентом усиления КУС
20.
Ом (с точностью 0.01 %), падение напряжения и на котором усиливается ОУ2, а значение тока определяется из выражения J=UR/Rи. Общие шины ОУ1 и ОУ2 изолированы. Для уменьшения погрешности измерений, вносимой УВХ1, УВХ2, выходные напряжения ОУ1 и ОУ2 нормируются таким образом, что на каждом пределе имеют значения импульсов напряжения в диапазоне 0.25-5 В. Эти импульсы подаются на информационные входы УВХ1, УВХ2, выполненные на МС AD7 83, которые имеют скорость спада напряжения 0.02 мкВ/мкс, внутренний конденсатор хранения, диапазон входных напряжений 0...+5 В и предназначены для выборки и расширения импульсов напряжения до 80 мс, соответствующих циклу измерения цифровых вольтметров В7-21А. Для жесткой синхронизации выборки и измерения импульсов напряжения с выходов УВХ1, УВХ2 в качестве стробирующих используются импульсы запуска (ИЗ1, ИЗ2) цифровых вольтметров В7-21А длительностью 2 мкс, поступающие из ПК, которые одновременно подаются на запуск В7-21А. Разряд конденсаторов хранения в УВХ1, УВХ2 осуществляется импульсами опроса (ИО1, ИО2) с выходов В7-21А. Таким образом, на входы В7-21А
поступают расширенные импульсы напряжения в диапазоне 0.25-5 В длительностью 80 мс, что обеспечивает нормальную работу цифровых вольтметров. АДМ содержит мультиплексор 2-в-1, регистры и шинные формирователи и предназначен для передачи
двоичных кодов с ПК на входы ЦАП, ПРУК, дистанционного управления В7-21А и импульсов запуска ИЗ1, ИЗ2, а так же кодовых значений измеряемых напряжений с выходов В7-21А на ПК.
Рисунок 1 - Структурная схема экспериментальной установки для импульсных измерений удельного
сопротивления полупроводниковых пластин
Программное обеспечение написано на языке Паскаль и обеспечивает: программируемое формирование импульсов напряжения и тока через пластину, автоматическое переключение зондовых контактов, установку режимов работы и пределов В7-21А, измерение, расчет и графическое представление значений удельного и поверхностного сопротивлений на мониторе и принтере.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Для измерений поверхностного RПОВ и удельного
На рис. 2 приведены временные диаграммы при импульсных измерениях RПОВ и Ryд.
из дкк, В
Иу!
сопротивлений выбран четырехзондовый метод
Ван-дер-Пау, который является наиболее быстродействующим, так как не требует смены направления тока через зондовые контакты, установленные на полупроводниковую пластину [3, 4]. При измерениях по методу Ван-дер-Пау зондовые контакты к1-к4 располагаются по периметру пластины [3], причем вначале пропускают ток 014 через контакты к1 и к4, а напряжение П23 снимают с контактов к2 и к3. Затем, после коммутации, пропускают ток 312 через контакты к1 и к2, а напряжение П34 снимают с контактов к3 и к4. Описание методики приводится при измерении ПОВ и УД высокоомной пластины на основе карбида кремния SiC трапецеидальной формы толщиной 20 мкм. Измерения проводятся в течение двух циклов. В первом цикле после установки пластины в зондовую головку по программе с ПК через АДМ на дешифратор ПРУК подаются коды, устанавливающие ключи ПРУК таким образом, что выход ПУГИ подключается к зондовому контакту к1, контакт к4 подсоединяется к входу ОУ2 и резистору РИ, а контакты к2 и к3 — к входу ОУ1.
Формирование импульсов напряжения П3вых для задания тока через пластину осуществляется программным путем с помощью ЦАП, причем длительность импульса 10-4 0 мкс задается подачей на ЦАП значащих и нулевых кодов через определенное число машинных циклов.
После начала формирования импульсов напряжения П3ВЫХ с задержкой 2 мкс в ПК формируются и подаются на запуск В7-21А ИЗ1 и ИЗ2, которые являются стробирующими для УВХ1 (П9ВХ) и УВХ2 (п10вх)-
При этом с выхода ПУГИ импульсы напряжения возрастающей амплитуды длительностью 10 мкс подаются на зондовый контакт 1 до появления на выходе цифрового вольтметра В7-21А (12) минимального значения тока, после чего увеличение кода, подаваемого на ЦАП прекращается.
Рисунок 2 - Временные диаграммы при импульсных измерениях удельного сопротивления полупроводниковой пластины на основе карбида кремния SiC
После усиления с помощью ОУ1 и ОУ2 импульсы напряжения Пр, соответствующие току 014, и импульсы напряжения П23 поступают на входы УВХ1 и УВХ2. Расширенные до 80 мс импульсы напряжения с выходов УВХ1 (П9ВЫХ) и УВХ2 (П10ВЫХ) измеряются цифровыми вольтметрами В7-21А, кодовые значения которых через АДМ со сдвигом 2 мкс заносятся в ОЗУ ПК, где вычисляется значение сопротивления Р1 по выражению [3]:
К\ = -
/ к
ик, И / {ПИкоу2)
где П23 = 4.9 В, ПЯ'„= 0.25 В, Ри = =1 КОУ2 = 1000.
После подстановки значений: р1
(1)
250 Ом, КОУ1 = 4.9 МОм.
Во втором цикле измерения с ПК на дешифратор ПРУК подаются двоичные коды, управляющие ключами таким образом, что выход ПУГИ подключается к контакту к1, контакт к2 соединяется с входом ОУ2 и резистором Pи, а контакты к3 и к4 — с входом ОУ1.
Аналогично первому циклу осуществляется формирование импульсов напряжения возрастающей амплитуды с помощью ПУГИ (ГОвых), подаваемых на зондовые контакты к1 и к2 для задания импульсов тока 012- После подачи ИЗ1 и ИЗ2 на цифровые вольтметры В7-21А и УВХ1, УВХ2, усиленные и расширенные до 80 мс импульсы напряжений а ~ 012 и П34 измеряются с помощью вольтметров В7-21А, кодовые значения которых записываются в ОЗУ ПК, где вычисляется значение сопротивления р2 по выражению:
и34/ к
R1 -
ur И !RКОУ 2)
(2) = 1,
КОУ2 = 1000 .
После подстановки значений: Р2 = 4.1 МОм.
Удельное сопротивление полупроводниковой пластины трапецеидальной формы вычисляется в ПК по формуле [3]:
= а4.532(р + Р2) 2 • ф(р Р2) (3)
где а — толщина пластины, равная 0.002 см,
Р1 = 4.9 Мом, Р2 = 4.1 Мом, Г(Р1/Р2) = 0.99 — поправочная функция, график которой приведен в [3].
График поправочной функции f(Р1/Р2) в виде таблицы записывался на жесткий диск ПК и использовался при вычислении рУД и рПОВ по выражению (3).
После подстановки измеренных значений в выражение (3)
Руд
3
40-10 Ом-см.
Поверхностное сопротивление пластины произвольной формы вычислялось по выражению [3]:
рПОВ = руД/а = 20,2*10—6 Ом (4)
На рис. 3 приведены экспериментальные зависимости сопротивлений Р1Г Р2, рУД, рПОВ от импульсного тока, вычисленных в ПК по выражениям (1)-(4).
Экспериментальное проведение импульсных измерений рУД и рПОВ высокоомной пластины на основе карбида кремния SiC толщиной 2 0 мкм трапецеидальной формы показало, что импульсное протекание тока в течение 10 мкс исключает инжекцию неосновных носителей заряда, перегрев образца,
возникновение термоЭДС, причем основную долю погрешности вносит УВХ.
10-1 о'
мс®
= :о.мо'ом
PLl-4.9-10' Ом
4.1-10'Ом
5-10* I/ -
д = 410^0м-см
4-
о.;
1.0
J. мкА
Рисунок 3. Экспериментальные графики удельного и поверхностного сопротивлений полупроводниковой пластины трапецеидальной формы на основе карбида кремния SiC по методу Ван-дер-Пау в импульсном режиме
Суммарная погрешность измерений включает в
измерения тока & =
и машинного расчета ^расч:
-увх + За + да~а + ¿расч-Для УВХ на МС типа AD7 83, имеющей скорость спада напряжения на конденсаторе хранения 0,2 В/с, при времени хранения 80 мс напряжение спада составляет 1.6 мВ.
На пределе 1 В при значении выходного напря-
жения увх 0«!
250 мВ
с помощью = 5В: 0.04+0,02(|10
Погрешность измерения напряжения В7-21А на пределе 10 В при ПВЫХ УВХ
За = [0.04 + 0.02 ( | Пк /Пх|-1) ] = В/5 В|—1) = 0.06 %.
Погрешность измерения тока на пределе 1 В при ПВЫХ УВХ = 0.25 В составляет:
= 0.04 + 0.02 (|1 В/0.25 В|—1) = 0.1 %.
Погрешность машинного расчета ^расч = 0.01 % [3].
Таким образом, суммарная погрешность импульсных измерений и расчета рУД и рПОВ = 0.8 %.
ВЫВОДЫ
Несмотря на усложнение технических средств, предлагаемая методика автоматизированных импульсных измерений рУД и рПОВ по методу Ван-дер-Пау может найти применение в лабораторных и заводских условиях при разработке новых полупроводниковых материалов и разбраковке пластин различной формы: круглых, прямоугольных, квадратных, овальных, трапецеидальных и др.
ЛИТЕРАТУРА
1 Hellinger O., Nibler F.Z. // Angew. Phys. 2014. Bd18, N 1. P. 23-28.
2 Евтихиев Н.Н. и др. Измерение электрических и неэлектрических величин. М. 2016. 349 с.
3. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М. 239 с.
4. Ковтонюк Н.Ф., Концевой Ю.А. Измерения параметров полупроводниковых материалов лургия, 2015. 432 с
Энергоатомиздат, Высш. шк., 2 017.
М.: Метал-
где 034=4 ./ B, 0Р/И = 0.3 B, КИ = 250 Ом, КО
себя погрешности: УВХ оУВХ, измерения напряжения
йУВХ= 1.6 мВ/250 мВ = 0.63
УДК 621.396
Ковалев В.С., Баннов В.Я., Бростилов С.А.
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия
ПОЛУЧЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ КОНТАКТОВ К МАТЕРИАЛУ ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПУТЕМ ПОДСВЕЧИВАНИЯ ПРИКОНТАКТНЫХ ОБЛАСТЕЙ
Введение
Теллурид кадмия (КТ) и твердые растворы на основе теллурида кадмия-цинка (КЦТ) являются перспективными материалами для создания детекторов ионизирующих излучений, а также для использования в качестве материала подложек для получения эпитаксиальных гетероструктур
CdxHg1—xTe/Cd1-yZnyTe (КРТ/ КЦТ).
Материалы КТ и КЦТ давно и широко исследуют. Однако некоторые проблемы еще далеки от разрешения. В частности, остро стоит вопрос о создании линейных контактов к образцам КТ и КЦТ р-типа электропроводности, в особенности при про-
ведении электрофизических измерений на малых токах [1—9]. Процессы, происходящие на границе раздела металл—полупроводник, рассматривали в работе [8], а механизмы протекания тока через контакт — в обзоре [9]. Считают, что наиболее подходящим материалом для создания омических контактов к КЦТ п-типа электропроводности является индий, который наносят либо простой пайкой, либо напылением в вакууме, а к р—КЦТ — золото или платина [2, 7—9] . В работе [6] на основе компьютерного моделирования предпринята попытка построить зонную диаграмму материала КТ с различными типами контактов; с полученными результатами полемизируют авторы работы [3], которые
