CC BY
429Владимир ДЬЯКОНОВ, д. т. н., профессор
vpdyak@yandex.ru
Современная техника и приборы
для измерения резистивности и снятия ВАХ
Измерение резистивности (сопротивления) на постоянном токе или на низких частотах по-прежнему имеет важное значение в электротехнике, электронике, микроэлектронике и в нанотехнологиях. Оно входит в функции многочисленных миниатюрных и настольных мультиметров и различных специализированных приборов. Нелинейные приборы обычно характеризуются нелинейными вольт-амперными характеристиками (ВАХ), а часто и семействами ВАХ. Специфика измерений для этого класса приборов описана в этой обзорной статье.
Измерение резистивности обычно обеспечивается различными методами [1-7], например, мостовыми или путем измерения падения напряжения и, падающего на резисторе при пропускании через него неизменного тока 10. При этом R = и/10. Этот метод чаще всего применяется в современных цифровых измерительных приборах, поскольку, в отличие от мостовых методов, не требует настройки измерительной цепи и принципиально дает линейную зависимость показаний от номинала измеряемого резистора.
неидеальности квазилинейных резистивных компонентов
Линейный резистор является абстракцией хотя бы в силу того, что любой резистивный элемент нагревается проходящим через него током, а это неизбежно ведет к изменению его сопротивления (резистивности). Мера изменения сопротивления с изменением температуры — это температурный коэффициент изменения сопротивления:
кТк = (М«н)/ДТх100%,
где ДR — изменение сопротивления при изменении температуры ДТ, Rн — номинальное значение сопротивления (обычно при +20 °С). Типичная величина кт — сотые или тысячные доли %/1 °С.
Линейные (правильнее сказать квазилинейные) резисторы имеют линейную зависимость падения напряжения от проходящего через них тока (то есть ВАХ) (рис. 1). Выпускаемые в промышленных масштабах обычные резисторы и резисторы интегральных микросхем в рабочей области напряжений и токов нагреваются незначительно и могут считаться линейными. При этом на-
клон ВАХ R-^ф = AU/AI = R = const неизменен в любой ее точке, а дифференциальная рези-стивность (сопротивление) Rdиф равна статической резистивности R. Сказанное справедливо в области умеренных токов — от наноампер до единиц — десятков миллиампер, а иногда и выше.
Однако при проведении высокоточных измерений резистивности не считаться с их нагревом нельзя, даже с учетом того, что разработчики резисторов стремятся минимизировать параметр kTR. Для уменьшения саморазогрева резистивных компонентов в процессе их тестирования желательно проводить измерения при как можно меньших токах и напряжениях. К тому же резистивные компоненты работают при сверхмалых напряжениях и токах, что нередко в условиях эксплуатации. Но в этом случае даже у, казалось бы, линейного резистора ВАХ может иметь отнюдь не тривиальный и вовсе не линейный вид (рис. 2). Такие отклонения от линейной ВАХ (рис. 1) обусловлены не только дискретностью тока как потока частиц (например, электронов) с дискретным зарядом, но и наличием шумовой составляющей тока:
Рис. 1. ВАХ линейного резистора в области умеренных токов
Ш = V(4kTД/)7R,
где к = 1,38х10-23 Дж/К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура (К); Д/— полоса частот (в Гц).
На зажимах резистора действует также шумовая ЭДС:
Пш = -ШТЩ.
Эта ЭДС при больших R может достигать заметных значений и снизить стабильность показаний измерителей сопротивления.
При измерениях на сверхмалых уровнях напряжения и тока велика роль и внешних наводок от источников электромагнитных полей разных частот (от частоты сети переменного тока в 50-60 Гц до сверхвысоких частот). Такие наводки могут отрицательно повлиять на точность измерений даже на постоянном токе, вызывая нестабильность и ошибки в показаниях приборов. Самый распространенный способ их уменьшения — применение экранированных коаксиальных кабелей для подключения резистивных элементов к измеряемому компоненту. Однако
Рис. 2. Типичная ВАХ резистора в области малых напряжений и токов
надо не забывать, что кабели (а нередко и сам измеряемый объект) имеют заметную паразитную емкость, и при больших R она порождает инерционность измерений.
Основные схемы измерений
Существует ряд методов для измерения сопротивления и проводимости [4-6]. Простейшими являются, во-первых, метод, основанный на измерении тока, протекающего через резистор, подключенный к источнику постоянной ЭДС (рис. 3), и, во-вторых, метод измерения напряжения на резисторе, падающего от протекающего через него неизменного тока (рис. 4). Оба этих метода относятся к 2-точечным схемам измерения. Неизменность параметров источника нужно понимать в том смысле, что параметр (например, ток в схеме на рис. 4) не меняется при изменении измеряемого сопротивления R и условий измерений.
Рис. 3. Измерение сопротивления по току, протекающему через резистор
Рис. 4. Измерение сопротивления по напряжению, падающему на нем от протекающего через резистор заданного тока
Первый метод наиболее удобен при измерении проводимости G = 1/й = IV. Разумеется, измеряя обратную величину (что в цифровых приборах не проблема), можно измерять и сопротивление. При измерении сопротивления высокоомных объектов, например диэлектриков, нужны измерители очень малых токов — нано- и пикоамперметры. Если объект и измерительная схема содержат емкость С, то установление показаний будет происходить по экспоненциальному закону, с постоянной времени йС. При й порядка ГОм (и тем более ТОм) даже емкость в единицы — десятки пФ может привести к недопустимо большим постоянным времени переходных процессов.
Второй метод дает значение й = V/!, где V— показания вольтметра. Ввиду очень широкого диапазона измерения напряжений и токов современными цифровыми приборами оба этих простейших метода можно считать прак-
тически равноценными. Оба метода дают легко оцениваемую погрешность в случае неиде-альности источников напряжения или тока и измерителей напряжения и тока.
Двухточечные схемы подключения компонентов к измерительному прибору наиболее просты и позволяют использовать простые наконечники пробников, например в виде иголок или «крокодилов». Эта схема наиболее естественна, поскольку резисторы имеют два вывода или две контактные площадки.
Однако нередко (особенно в условиях микроэлектронного производства) измерения приходится проводить при значительном удалении измеряемого объекта от источников энергии и измерителя. В этом случае, особенно при измерении малых сопротивлений (порядка десятков Ом и менее), значительную погрешность могут вводить длинные подводящие провода. Это наглядно видно на рис. 5, на котором показано измерение сопротивления резистора при учете сопротивлений подводящих проводов йцап-
С помощью рис. 5 нетрудно сделать вывод, что ток тестирования I от источника тока омметра (или мультиметра) проходит как через тестируемое сопротивление й8, так и через сопротивления подводящих проводов. Поэтому измеряемое вольтметром Vм напряжение будет равно VR+2RLEAD. В результате вместо значения прибор будет показывать значение й5+2й1ЕШ Эта погрешность особенно существенна в приборах для измерения малых сопротивлений — миллиомметров и микроомметров. Эти приборы часто применяются для измерения сопротивления печатных и напыляемых проводников в интегральных схемах, активного сопротивления индуктивных компонентов, а также для измерения сопротивления заземления различных промышленных объектов и измерительных приборов.
Наиболее эффективно устранить этот недостаток можно при переходе от 2-точечной схемы измерения к 4-точечной, показанной на рис. 6 [4-6]. В этой схеме измеряется напряжение прямо на тестируемом резисторе, а через подводящие провода вольтметра течет ничтожно малый ток, так как вольтметр применяется с очень высоким входным сопротивлением. Поэтому погрешность измерений из-за влияния подводящих проводов может быть ничтожно малой. Для уменьше-
Омметр
(мультиметр)
Ток
Рис. 5. Двухточечная схема измерения, учитывающая сопротивления проводящих проводов
Омметр
(мультиметр)
Source HI
Rlead
чш-
Ток
тести-
рования
Source HI
LEAD TOKlV>0
Rl
t Y t
Соедин. R
M провода R '
I 1 І Тестир.
|_Q RJaD І РЄЗИСТ0Р
□
Source LO
-CD-
Рис. 6. Четырехточечная схема для измерения малых сопротивлений
ния наводок на провода они могут быть сделаны экранированными.
Схема, изображенная на рис. 6, широко используется при проведении высокоточных измерений резистивности в современных настольных цифровых мультиметрах. Для особо точных измерений ее можно строить на основе прецизионных источника тока и измерителя напряжения с высоким входным сопротивлением. Конечное сопротивление вольтметра также вносит погрешность в измерения, особенно сопротивлений с большим номиналом.
Для увеличения входного сопротивления вольтметра можно использовать усилители со 100%-ной отрицательной обратной связью — повторители напряжения. У них входное сопротивление увеличивается в К раз, где К — коэффициент усиления усилителя. Пример такой реализации 4-точечной схемы на приборах фирмы КейЫеу показан на рис. 7.
Персональный компьютер (ПК)
Рис. 7. Пример конфигурации приборов фирмы Ке^Ыеу для реализации 4-точечной схемы измерения сопротивления с повышенной точностью
Реализованная в этом примере схема измерений отличается возможностью задания/измерения высокостабильного тестирующего тока с помощью высокоточного источника/измерителя тока и обеспечивает высокую точность измерения сопротивлений в широком диапазоне их номиналов. Эту схему иногда считают вариантом 6-точечной схемы.
Разумеется, 4-точечная (и 4-проводная) схема имеет свои недостатки. Провода можно просто перепутать, и не всегда есть возможность простого подключения их к резисторам с двумя выводами. Представьте себе, как можно подключить с помощью массовых пробников с иглой четыре иглы к резистору на печатной плате, имеющему всего две контактные площадки, расположенные близко друг от друга? Конструкция пробника для таких резисторов становится более громоздкой, возрастает уровень наводок на провода. Поэтому применяются измерительные схемы со спаренными тонкими коаксиальными (экранированными) кабелями. Но это ведет к росту емкостей измерительной схемы и может потребовать их компенсации.
0 сопротивлении изоляционных материалов
Качество изделий из изоляционных материалов сильно зависит от их удельного электрического сопротивления. В таблице 1 представлены данные о некоторых наиболее распространенных изоляционных материалах (по данным фирмы КейЫеу). Сопротивление изделий из них часто приходится измерять на практике.
Диапазон значений удельных сопротивлений достигает 13 порядков! И это требует создания измерителей высокоомных сопротивлений с очень широким диапазоном измеряемых сопротивлений. Специфика таких приборов — это высокие уровни напряжения, при котором проводится тестирование. Нередко оно достигает 1000 В и выше.
Мегаомметры, гигаомметры и даже тераомметры
Для измерения больших резистивностей используются специальные приборы — мегаомметры, гигаомметры и даже тераомметры. Мегаомметры — это приборы, измеряющие сопротивление от единиц Ома до примерно 10 МОм (1 МОм = 1х106 Ом). Номенклатура этих приборов достаточно обширна и среди них есть как аналоговые приборы (с магнитоэлектрическим измерителем), так и цифровые с повышенной точностью измерения. Основная область применения мегаомметров — контроль устройств электроэнергетики и электротехнических устройств. Приведем данные некоторых из этих приборов.
Цифровой мегаомметр АМ-2004 Характеристики АМ-2004:
• измерение сопротивления изоляции 0,1 МОм - 4 ГОм напряжением 250, 500, 1000 В;
• точность 1-2%.
Дополнительные функции:
• режимы вольтметра 1-600 В (40-500 Гц);
• омметр 0,01-40 Ом;
• ЖКИ 31/2;
• питание 12 В (8 элементов по 1,5 В);
• габариты 190х140х77 мм;
• масса 0,9 кг.
Цифровой мегаомметр Fluke-1507 Характеристики Иике-1507:
• измерение сопротивления изоляции до 10 ГОм напряжением 50, 100, 250, 500 и 1000 В;
• автоматический разряд емкости объекта после измерения;
• напряжения постоянного и переменного тока до 600 В;
• сопротивление до 20 кОм с разрешением 0,01 Ом;
• прозвонка цепи;
• память последнего результата измерения;
• аналоговая шкала;
• подсветка дисплея.
Цифровой мегаомметр Fluke-1550B Характеристики Иике-1550В:
• измерение сопротивления изоляции до 1 ТОм напряжением 250, 500, 1000, 2500 или 5000 В;
• программируемое измерительное напряжение с шагом 50 В в диапазоне от 250 до 1000 В и с шагом 100 В в диапазоне от 1000 до 5000 В;
• автоматический расчет коэффициентов абсорбции и поляризации;
• автоматический разряд емкости объекта после измерения;
• напряжения постоянного и переменного тока до 600 В;
• емкости изоляции, испытание изоляции на пробой напряжением в диапазоне 0-5000 В;
Рис. 8. Мегаомметр Fluke-1550B
• измерение токов утечки;
• таймер 1-99 мин;
• аналоговая шкала;
• память 99 результатов измерений;
• передача данных в компьютер.
Из этих приборов особый интерес представляет мегаомметр Иике-1550В, способный измерять сопротивление до 1 ТОм (рис. 8). Это позволяет измерять сопротивление между дорожками и контактами печатных плат и подложек интегральных микросхем и оценивать качество изоляции окислов кремния.
Измерение малых и сверхмалых сопротивлений
Возможности измерения малых и сверхмалых сопротивлений, характерные для микроомметров и мультиметров, приведены в таблице 2.
Поскольку при измерении малых сопро-
Таблица 2. Измерители малых и сверхмалых сопротивлений на основе приборов фирмы КеКЫеу
Прибор (модель) 2182A 1801, 2001/ 2002 2002 2010 2750
Минимальное напряжение 10 нВ 20 мкВ 200 мВ 100 мВ 100 мВ
Максимальное напряжение 100 В 2 мВ 1000 В 1000 В 1000 В
Шум (RMS) 1,2 нВ 0,12 нВ 150 нВ 100 нВ <1,6 мкВ
Минимальное сопротивление 10 нОм 20 мкОм 1,2 мОм 0,9 мОм 0,4 мОм
Максимальное сопротивление 100 МОм 200 Ом 1 ГОм 100 МОм 100 МОм
тивлений по обычной двухпроводной схеме подключения из-за конечного сопротивления проводов возникает значительная погрешность, то в микроомметрах часто используется 4-проводная схема.
Микроомметр MMR-610 Микроомметр MMR-610:
• обеспечивает измерение малых значений сопротивлений с разрешением 0,1 мкОм рабочим током от 0,1 мА до 10 А в диапазоне 0-199,9 Ом;
• питание — аккумуляторы, зарядное устройство в комплекте;
• габариты 295х222х95 мм;
• масса 1,7 кг.
Таблица 1. Качество изоляционных материалов
Изоляционный материал Удельное сопротивление, Ом^см Минимальная абсорбция влаги Минимальный пьезоэффект Минимальный трибоэлектрический эффект
Сапфир 1016-1018 + + о
Тефлон 1017-1018 + - -
Полиэтилен 1014-1018 о + о
Полистирол 1014-1018 о о -
Керамика 1012-1014 - о +
Нейлон 1012-1014 - о -
Эпоксид 1010-1017 - о -
PVC 1010-1015 + о о
Фенолик 105-1012 - + +
Примечание.
+ — отличное; о — хорошее; — — плохое.
Измерение удельного сопротивления полупроводников
В полупроводниковой и микроэлектронной промышленности часто возникает необходимость в измерении удельного сопротивления полупроводников — отношения напряженности поля в равномерно легированном полупроводнике (или веществе) к плотности тока в нем. Единица измерения объемного удельного сопротивления — [Ом-м]. Обычно различают поверхностное и объемное сопротивления (поверхностное сопротивление [Ом]). Для их измерения часто используют 4-точечную измерительную схему, представленную на рис. 9.
Рис. 9. Стандартная 4-точечная схема измерения объемного удельного сопротивления
Удельное объемное сопротивление в общем случае вычисляется по формуле:
р = n/\n2{V/I)tk,
где I — ток, заданный во внешние зажимы, У — измеренное на внутренних зажимах на-
Рис. 11. Размеры электродов измерительной головки 8009 фирмы КеїШеу
И г = 53,4У|П . —^—(Ом) Пикоамперметр
, 1 , Образец
Источник НІ тт НІ
напряжения
V Ю Л [_0
0 1 1 г = 2МхХ(0м.™ 1» 1
Образец I ^ Пикоамперметр
Источник НІ ТТ™ 1 НІ
напряжения
V Ю л_ 1_0
Рис. 10. Измерительные схемы, рекомендуемые фирмой КеКЫеу для измерения: а) удельного поверхностного сопротивления; б) объемного сопротивления
пряжение, t — расстояние между точками (см); к — поправочный коэффициент, учитывающий геометрию образца, его размеры и толщину.
Фирма КеКЫеу (США) выпускает измерительную головку (опцию) 8009, которая может подключаться к измерительным приборам (в частности, к мультиметрам). При использовании образцов стандартного размера фирма рекомендует применять измерительные схемы, представленные на рис. 10. В качестве источника напряжения и измерителя тока (пикоамперметра) используется прибор 6517А.
Размеры электродов измерительной головки показаны на рис. 11. Эти размеры стандартизированы. Конструкция измерительной головки для снятия удельного объемного сопротивления обеспечивает снижение влияния краевых эффектов путем введения охранного кольца.
Измеритель удельных сопротивлений «ПИЛЛАР-1У»
Существуют и другие специальные приборы для измерения удельного сопротивления. Например, установка отечественной разработки «ПИЛЛАР-1У» предназначена для измерения удельного электрического сопротивления полупроводниковых материалов четырехзондовым методом, а также определения типа проводимости полупроводников методом горячего зонда или методом вольт-амперных характеристик. Установка создана научно-исследовательским частным предприятием «Терекс» (Украина).
Установка позволяет подключать 4-зондо-вые головки двух разных типов, производит измерение удельного электрического сопротивления полупроводников с учетом типа проводимости и текущей температуры материала. Измерения и расчеты производятся в соответствии с американскими стандартами измерения удельного сопротивления ASTM Б 84/43, ставшими мировыми.
Индикация результатов измерений производится на большом графическом ЖК-
дисплее. Установка режимов измерений производится в ручном режиме с помощью манипулятора типа «мышь». Оператору доступны выбор типа проводимости материала, выбор одного из двух типов зондов и выбор диапазона измерительного тока. Во время измерения кроме результата индицируется текущая температура и определяется соответствие выбранного диапазона измерительного тока измеряемой величине удельного сопротивления.
Установка работает как автономно, так и совместно с компьютером, в этом случае она подключается к разъему ШВ. Внешний вид базового блока установки показан на рис. 12.
Рис. 12. Базовый блок установки «ПИЛЛАР-1У» для измерения удельного электрического сопротивления полупроводников
В режиме определения типа проводимости методом горячего зонда имеется возможность изменять температуру зонда для изменения чувствительности измерений. Режим ВАХ является индикационным. В этом режиме на экран выводится схематическая ВАХ образца, и по ее ориентации на экране определяется тип проводимости материала.
Параметры установки соответствуют требованиям стандарта ASTM Б 84/43. Установка (по заявлениям разработчика) превосходит по функциональным возможностям известные зарубежные аналоги, не уступая при этом им по точностным показателям. Аналогов среди отечественного оборудования не имеет.
Комплекс 65 фирмы Keithley
Фирма КекЫеу выпускает специальный комплекс 65 для проведения измерений большого удельного сопротивления (до 1014 Ом-см) различных «трудных» (например, увлажненных) материалов. Внешний вид комплекса представлен на рис. 13.
Рис. 15. Внешний вид прибора КеіШеу 6517А спереди
Комплекс 65 состоит из следующих компонентов:
• 6517 — базовый блок для проведения альтернативных (на основе импульсного метода) измерений.
• 8009 — измерительная головка для образца в виде диска.
• 6524 — программное обеспечение под операционную систему Windows (внешний вид окна программы представлен на рис. 14).
Рис. 14. Типичный вид окна при проведении измерений комплексом КеКЫеу 65
Эти приборы образуют типичный комплекс средств для измерения резисторов с большими номиналами и удельного сопротивления полупроводниковых, изоляционных и полуизоляционных материалов.
Прибор фирмы КейЫеу 6517А является одним из лучших в классе электрометров и совмещает измерение очень малых токов с измерением высоких сопротивлений. Внешний вид прибора спереди показан на рис. 15.
Прибор обеспечивает следующие характеристики:
• Дисплей с разрядностью 5 1/2 или 6 1/2.
• Выбор пределов измерений: ручной и автоматический.
• Пределы измерения по напряжению: 2, 20 и 200 В.
6220
1.0
6514
Ю
Предусилитель
выключен
VI
6514
1_0
2000
РММ
Предусилитель
выключен
42
Рис. 17. Усовершенствованная 4-точечная схема измерения
• Разрешение: 10, 100 и 1000 мкВ.
• Погрешность за год при температуре работы от +18 до +28 °С (от показания + число знаков): 0,025% + 4 на пределах 2 и 20 В, 0,06% + 3 на пределе 200 В.
• Входное сопротивление вольтметра: более 200 ТОм параллельно с емкостью 25 пФ.
• Пределы измерения тока: 20 и 200 пА, 2, 20 и 200 нА, 2, 30 и 200 мкА и 2 и 20 мА.
• Погрешность измерения тока от 1% + 30 знаков дисплея с разрешением 5 1/2 при токе 20 пА до 0,1% + 5 знаков при токе 20 мА.
• Пределы измерения сопротивления: 2, 20 и 200 МОм, 2, 20 и 200 ГОм и 2, 20 и 200 ТОм.
• Разрешение при измерении сопротивления при разрядности индикатора 5 1/2 соответственно: 10 и 100 Ом, 1, 10 и 100 кОм, 1, 10 и 100 МОм и 1 ГОм.
• Погрешность измерения сопротивления от 0,125% + 1 знак на первом пределе до 1,15% + 1 знак на последнем пределе.
• Температура в измерительном модуле от -25 до +150 °С.
• Возможность измерения сопротивления альтернативным способом (импульсным).
• Габариты и масса прибора: 90x214x369 мм, 4,6 кг.
На задней стенке прибора (рис. 16) помимо обычных разъемов и портов (питания, подключения ПК и др.) расположены разъемы для подключения измерительной головки и крышка отсека, в который могут устанавливаться блоки — опции, расширяющие возможности прибора. Эти разнообразные средства обеспечивают широкие возможности включения приборов в сложные измерительные системы.
Для исследования полупроводниковых материалов с большой шириной энергетиче-
ской зоны, например арсенид-галлия, фирма КейЫеу предлагает различные типовые измерительные схемы. К сожалению, обычная 4-точечная схема измерений дает погрешность из-за наличия тока в общем проводе.
Улучшенная 4-точечная измерительная схема с буферными усилителями с единичным коэффициентом усиления 6514, представленная на рис. 17, применима до значений R = 1 ТОм. Такие сопротивления при рабочих токах 100 пА могут измеряться с погрешностью не более 2%.
Набор приборов фирмы КейЫеу, необходимый для реализации различных измерительных схем:
• 6220 — источник малых постоянных токов.
• 6514 — программируемый электрометр с входным сопротивлением 200 ТОм.
• 2000 — цифровой мультиметр общего назначения.
• 7001 — коммутирующий модуль.
• 7152 — слаботочная матричная карта (размер 4x5).
Определение типа полупроводника
Как известно, полупроводники могут быть двух типов:
• с дырочной проводимостью, или р-типа;
• с электронной проводимостью, или п-типа. В связи с этим часто возникает необходимость экспериментального определения типа полупроводника. Она может решаться параллельно с определением удельных сопротивлений с использованием четырехточечной измерительной схемы. При этом известны два основных способа определения типа проводимости:
• метод выпрямления (Rectification Method);
• метод термо-ЭДС (Thermoelectric Voltage
Method).
Для реализации первого метода используется измерительная схема, показанная на рис. 18.
При полупроводнике p-типа у осциллограммы контрольной точки (рис. 19) отчетливо видна несимметричность осциллограммы [3]: положительная полуволна явно имеет большую амплитуду, чем отрицательное, и среднее напряжение в контрольной точке положительно. При полупроводнике n-типа преобладает отрицательная полуволна, и напряжение в контрольной точке отрицательно.
Тек ЕДЯ 10.0kS/s
570Acqs
IfllS! Іііііш шия
Япіінпнішшіна
І 1^1 flH' HR^n
її І? ІНІ іДіуі .
M5.0ns Ch 1
Бюджетные настольные цифровые мультиметры
Все ведущие фирмы мира, производящие цифровые радиоизмерительные приборы, приступили к выпуску настольных цифровых мультиметров умеренной стоимости — бюджетных. Дело в том, что такие приборы широко применяются на практике, и их выпуск дает производителям хороший и стабильный доход. Приборы содержат ряд преобразователей различных величин в постоянный ток и цифровой измеритель тока на основе аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Он определяет базовую погрешность приборов. Это минимально возможная погрешность цифрового вольтметра на основном пределе. Реальная погрешность измерения того или иного параметра, например сопротивления, может быть выше в несколько раз.
Мультиметр 2000^ фирмы ^іМє}/
Рис. 19. Осциллограммы контрольного сигнала
Второй метод реализуется измерительной схемой, показанной на рис. 20. Определение типа проводимости аналогично описанному и выполняется по показаниям вольтметра. Этот метод предпочтителен при испытании низкоомных полупроводников, когда метод выпрямления работает плохо из-за низкого уровня напряжения в контрольной точке.
Рис. 21. Прецизионный настольный мультиметр 2000/E фирмы Keithley
Прецизионный настольный мультиметр 2000/E фирмы Keithley (рис. 21) — это сравнительно дешевый (бюджетный) прибор с высоким входным сопротивлением: до 10 ГОм при измерении напряжения до 10 В. Он имеет до 13 измерительных функций, автовыбор диапазонов и даталогер на 1024 ячейки: 6 1/2 разрядов. Измеряет постоянное напряжение 0,1 мкВ — 1000 В, базовая погрешность 0,002%, постоянный ток 10 нА — 3 А, переменное напряжение 0,1 мкВ — 750 В (True RMS — до 300 кГц), ACI: 1 мкА — 3 А, сопротивление 0,1 мОм — 100 МОм (2/4 проводника), измерение частоты/периода — до 500 кГц/2 мкс, измерение температуры (датчик типа J, K, T). Есть интерфейсы RS-232 и GPIB. Обеспечены прозвонка и тест диодов, измерение децибел напряжения и мощности, значений линейной зависимости, процентов и т. д. Размеры прибора 104x238x370 мм, вес — 2,9 кг. Есть опции многоканального (10 и более каналов) сбора данных.
Мультиметры
Tektronix DMM 4020/4040/4060 и Fluke Фирма Tektronix недавно освоила выпуск новейших мультиметров DMM 4040/4060 (рис. 22). Они имеют разрядность 6 1/2 и базовую погрешность 0,0035/0,0024%. Выпускаются также мультиметры DMM 4020 с разрядностью 5 1/2 и базовой погрешностью 0,015%. Приборы вполне конкуренто-
способны с уже имеющимися на рынке мультиметрами по цене и возможностям.
Мультиметры DMM 4040/4060 измеряют постоянное напряжение от 100 мВ до 1000 В при разрешении 100 нВ, постоянный ток от 100 мкА до 10 А с разрешением 100 пА, сопротивление от 10 Ом до 1 ГОм с разрешением 10 мкОм (2- и 4-точечная схемы). Есть интерфейсы RS-232, LAN, GPIB и USB. Дисплей у приборов достаточно четкий и отображает цифровые и графические данные — гистограммы и временные зависимости (рис. 23). Приборы позволяют измерять также частоту и емкость, осуществлять прозвон цепей и диодов, выполнять другие операции. Возможна их работа с программой LabView фирмы National Instruments.
Большое число мультиметров (в основном портативных в защищенных корпусах для тяжелых производственных условий) выпускает компания Fluke. Она, как и компания Tektronix, ныне входит в компанию Danaher, преуспевающую в поставках электронного измерительного оборудования широкого профиля. Новые модели настольных мультиметров фирмы Fluke и Tektronix разрабатывают, используя свой богатейший опыт в создании различных радиоизмерительных приборов. Это ведет к тому, что параметры массовых настольных цифровых мультиметров этих фирм и даже их внешний вид отличаются незначительно. В них используется унифицированная элементная база высокоточных мультиметров.
.+ 0.001348 V-
АЧАП'.Т kiMM
№ 1№ЗГО tea ШМГі 1 №
Me* SC mm* * ЛЖ
F ■№ I ЙШІ
м.. шячалш
ЕЖОО** , КЫШ -
■ЛИ чгмдаг-
Рис. 23. Примеры отображения данных измерений, гистограмм и временной зависимости у мультиметров Tektronix DMM 4040/4060
Мультиметры фирмы Agilent Technologies
Рис. 25. Высокоточный мультиметр 34420А фирмы Agilent Technologies
Agilent Technologies выпускает и более точные настольные мультиметры 34420A с 7 1/2 разрядами индикатора (рис. 25). Малошумящий усилитель и специальные пробники с экранированными подводящими проводами снижают шум до 8 нВ (двойной размах) и обеспечивают получение базовой погрешности 0,0002% (за 25 часов работы). Пределы измерения на постоянном токе от 1 мВ до 100 В, по сопротивлению — от 1 Ом до 1 МОм с погрешностью 0,0015% от измеренной величины сопротивления плюс 0,0002% от предела. Это один из лучших результатов для настольных мультиметров. Есть интерфейсы GPIP и RS-232.
Нетрудно заметить, что основные параметры и внешний вид настольных мультме-тров различных фирм отличаются не очень значительно. И это неслучайно: элементная база и функциональные схемы приборов
этого класса унифицированы, что позволяет создавать типовые конструкции достаточно дешевых приборов.
Уникальными характеристиками обладает мультиметр 3458A фирмы Agilent Technologies, предназначенный для встраивания в стойки. Он имеет разрядность 8 1/2. Его базовая погрешность — 0,0008% от отсчета плюс 0,000005% от предела на постоянном токе (за 24 часа работы). Прибор измеряет сопротивление от 10 Ом до 1 ГОм с погрешностью 0,001% от отсчета плюс 0,00005% от предела. Применяются 2- и 4-проводные схемы измерения с компенсацией смещения. При ограничении разрядности до 4 1/2 разряда прибор обеспечивает до 100 000 измерений в секунду. Разумеется, этот прибор предназначен для уникальных лабораторных измерений.
Характериографы и измерители параметров нелинейных компонентов
Наряду с квазилинейными резисторами широкое применение в радиоэлектронике находят различные нелинейные компоненты — от ва-ристоров и диодов до биполярных и полевых транзисторов [7-10]. Для них характерны нелинейные ВАХ, которые обычно представляются в виде семейства зависимостей, например в виде зависимостей тока стока полевого транзистора от напряжения на стоке при разных постоянных напряжениях на затворе. Фирма Keithley выпускает обширную номенклатуру программно управляемых источников напряжения и тока, совмещенных с измерителями напряжения и тока. Они позволяют строить ВАХ по точкам в автоматическом режиме.
Для полноценного графического построения ВАХ нелинейных компонентов используются характериографы, основанные на осциллографическом методе построения ВАХ. В них для построения одиночной ВАХ используется генератор пилообразного напряжения, а для снятия семейства ВАХ дополнительно применяется генератор ступенчатого управляющего напряжения.
Характериографы — это сложные и дорогие приборы, которые выпускают лишь некоторые фирмы. Ведущей здесь, пожалуй, является фирма Keithley, которая производит как множество управляемых программно источников напряжения и тока, так и многофункциональный характериограф серии 4200-CS с графическим дисплеем высокого разрешения. Внешний вид его спереди представлен на рис. 26.
На рис. 27 показан вид характериографа 4200 сзади. Большое число разъемов на задней стенке прибора связано с необходимостью, во-первых, подключения к прибору разнообразных приборов и, во-вторых, полноценного подключения характериографа к компьютеру и обеспечения их совместной работы в сложных производственных и лабораторных условиях.
Рис. 24. Мультиметр 34401А
фирмы Agilent Technologies
Наследник знаменитой Hewlett Packard — компания Agilent Technologies — также выпускает серию настольных мультиметров бюджетного класса с разрядностью 5 1/2 (модель 34405A) и 6 1/2 (модели 34410A, 34411A, 34401А). Последняя модель имеет базовую погрешность при измерении постоянного напряжения 0,0015% (за 24 часа работы). Она реализует 12 измерительных функций, позволяет измерять сопротивление и емкость. При использовании интерфейса GPIB обеспечивается скорость до 1000 измерений в секунду при 6 1/2 разрядах и до 10 000 измерений в секунду при разрядности 5 1/2. Пределы измерения сопротивления — от 100 Ом до 100 МОм, погрешность — 0,01% от измеренной величины сопротивления плюс 0,0001% от предела. Внешний вид типовой (рис. 24).
Рис. 26. Внешний вид характериографа 4200-CS фирмы Keithley спереди
Рис. 27. Внешний вид характериографа 4200-CS фирмы Keithley сзади
Система КейЫеу 4200-SCS — это универсальная система для измерений 1-У (ВАХ) и С-У (вольт-фарадных характеристик) на постоянном токе и в импульсном режиме для полупроводниковых приборов и тестовых структур на пластинах в полупроводниковом производстве.
Система имеет модульную многоканальную архитектуру и настраиваемую конфигурацию, поддерживая до 8 измерительных и дополнительных модулей. Она обеспечивает:
• измерение ВАХ в диапазоне токов 0,1 фА до 1 А и напряжения от 1 мкВ до 200 В;
• измерение С-У в диапазоне до 400 В с разрешением 5 мВ, в частотном диапазоне от 10 кГц до 10 МГц.
Особенности прибора:
• Встроенный системный контроллер с процессором 2 Duo-Pentium и поддержкой монитора высокого разрешения.
• Шасси поддерживает до 8 измерительных модулей высокой мощности одновременно.
• Опционально — предусилитель малых токов для модулей средней и высокой мощности.
• Измерение вольт-фарадных (С-У) характеристик с дифференциальным смещением ±60 В и в диапазоне частот от 10 кГц до 10 МГц, а также в квазистатическом режиме (опционально).
• Опциональное измерение высоковольтных вольт-фарадных (С-У) характеристик в диапазоне дифференциального напряжения до 400 В.
• Интерактивная интуитивно понятная пользовательская среда тестирования (КІТЕ7.0) позволяет быстро решать задачи по управлению процессом измерения и тестирования.
• Библиотека — до 400 стандартных тестов.
Рис. 28. Вид экрана характериографа 4200
Рис. 29. Схема одной из измерительных систем на основе характериографа 4200 и различных его опций
t Лп»и' “
■■ ч
I U9W
иМн f /*
Т* І9 U 1 1 Ї 4
Рис. 30. Семейство выходных ВАХ полевого транзистора, построенного на постоянном, медленно изменяющемся токе и импульсным методом
Об обширных возможностях этого прибора свидетельствует вид экрана (рис. 28), на котором представлены нелинейные характеристики нескольких разнотипных приборов — в том числе массовых полевых транзисторов с изолированным затвором [8].
Именно эти приборы стали основой большинства современных больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС).
Спецификой характериографа 4200 является возможность возникновения значительных погрешностей в построении семейств
ВАХ многих полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и т. д.) из-за их нагрева в процессе проведения измерений. Для уменьшения этой погрешности часто используется импульсный метод измерений, значительно снижающий нагрев тестируемого прибора. К сожалению, реализация импульсного метода существенно усложняет измерительные схемы, в которые приходится включать генераторы импульсов с малыми фронтами и использовать в соединениях коаксиальные кабели, нередко в режиме согласования. Пример построения одной из таких схем представлен на рис. 29. Схема предназначена для снятия семейства выходных ВАХ полевого транзистора [8].
Оба метода измерений (на постоянном токе и импульсный) реализуются характериографом 4200. Это нередко позволяет получать ВАХ для различных применений полупроводниковых приборов (рис. 30).
К сожалению, даже такие сложные приборы, как характериограф 4200, не способны решать многие задачи измерений для ряда специальных полупроводниковых приборов. Это прежде всего относится к приборам с отрицательной дифференциальной проводимостью и отрицательным дифференциальным сопротивлением, такие как туннельные и S-диоды, лавинные и однопереходные транзисторы, тиристоры и др. [9, 10]. Характериографы для них часто требуют особых методов измерения для устранения неоднозначности их ВАХ, обеспечения стабильности измерений и предотвращения генерации паразитных сигналов на падающих участках ВАХ. ■
Литература
1. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин. М.: Высшая школа, 1982.
2. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. М.: СОЛОН-Пресс, 2007.
3. Дьяконов В. П. Современная осциллография и осциллографы. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.
4. A Guide to Electrical Measurements for Nanoscience Applications. 1st Edition (c). Keithley, 2007.
5. Digital Multimeters and Systems. Keithley, 2008.
6. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Электронные приборы в микроэлектронике и нанотехнологиях // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2008. № 4.
7. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Приборы фирмы Keithley Instruments для исследования полупроводниковых приборов и систем // Контрольноизмерительные приборы и системы. 2009. № 1.
8. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах/Под ред. проф. В. П. Дьяконова. М.: Солон-Р, 2002.
9. Дьяконов В. П. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. М.: СОЛОН-Пресс, 2008.
10. Дьяконов В. П. Однопереходные транзисторы и их аналоги. М.: СОЛОН-Пресс, 2008.
