СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ БАЗЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Изобретение относится к технике измерения электрофизических параметров полупроводниковых диодов и может быть использовано на выходном и входном контроле их качества.

Как известно, одним из важных параметров полупроводниковых диодов является последовательное сопротивление базы, которое приводит к отклонению реальной вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода от экспоненциальной функции в режиме больших (сравнимых с предельно допустимыми) токов (см. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Радио и связь, 1977. - 488 с.).

Известен способ измерения сопротивления базы полупроводникового диода (см. Аронов В.Л., Федотов Я.А. Испытание и исследование полупроводниковых приборов. - М.: Высшая школа, 1975. - 386 с.), состоящий в пропускании через диод постоянного прямого тока I_д различной величины в измерении падения напряжения U_д на диоде при заданных значениях прямого тока и построении ВАХ диода I_д=F(U_д). Сопротивление базы определяется по отклонению ВАХ диода от экспоненты, путем решения системы уравнений, составленных по результатам измерений при нескольких значениях прямого тока.

Сопротивление базы проявляется в отклонении ВАХ от экспоненты только при больших токах, близких к предельно допустимым для данного типа диодов, поэтому недостатком способа является большая погрешность измерения из-за разогрева диода большим постоянным током.

Известен способ определения сопротивления базы диода, заключающийся в подаче на диод импульса прямого тока и измерении скачка напряжения на диоде в момент переключения тока (см. Полупроводниковые диоды: под ред. Носова Р.И., Горюнова Н.Н. - М., Сов. радио, 1968. - 322 с. или Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Радио и связь, 1977. - 488 с.).

Недостатком является большая погрешность измерения, обусловленная опять же нагревом диода большим прямым током, а также тем, что для измерения относительно малого скачка напряжения (порядка нескольких десятков милливольт на уровне сотен милливольт прямого падения напряжения на диоде) используют, как правило, осциллограф.

Технический результат - повышение точности измерения последовательного сопротивления базы диода.

Технический результат достигается тем, что через диод пропускают прямой ток и измеряют падение напряжения на диоде, при этом прямой ток задают в виде трех последовательностей коротких прямоугольных импульсов с большой скважностью и амплитудой I₁, kI₁, 2kI₁, измеряют пиковое значение падений напряжения U₁, U₂, U₃ на диоде при пропускании этих импульсов тока и последовательное сопротивление базы определяется по формуле

где ΔU₃₂=U₃-U₂; ΔU₂₁=U₂-U₁; v=ln 2/b; b=ln k.

Если выбрать k=2, то v=ln 2/b=1 и формула заметно упрощается

Пиковое значение падений напряжения U₁, U₂, U₃ на диоде определяют либо импульсным вольтметром, либо вольтметром переменного тока с известным типом преобразователя.

Сущность способа состоит в следующем. В режиме больших токов, когда падение напряжения на последовательном сопротивлении базы становится заметным, то есть сравнимым с падением напряжения на p-n-переходе диода. Строго говоря, отклонение ВАХ от экспоненциальной функции будет наблюдаться уже при тех токах, при которых падение напряжения на сопротивлении базы будет сравнимо с тепловым потенциалом , где k_B - постоянная Больцмана, T_n - температура p-n-перехода диода, q - заряд электрона. Выражение для ВАХ диода с учетом последовательного сопротивления базы (см., например, Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. Под ред. Горюнова Н.Н. и Носова Ю.Р. Изд-во "Советское радио", 1968, 304 с. или Аронов В.Л., Федотов Я.А. Исследование и испытание полупроводниковых приборов. - М.: Высшая школа. - 1975. - 465 С.) принято записывать в виде:

где m - параметр неидеальности диода, I₀ - ток насыщения.

Из (3) нетрудно выразить падение напряжения на диоде:

Если пропускать через диод постоянный ток большой величины, то в результате саморазогрева температура перехода будет возрастать и будет изменяться и тепловой потенциал, и значение тока насыщения I₀ и для вычисления последовательного сопротивления базы необходимо знать эти значения. Для исключения разогрева перехода протекающим током предлагается попускать через диод импульсный ток с большой скважностью. Ясно, что длительность импульсов тока должна существенно превышать время нарастания напряжения для данного типа диодов. При скважности Q>100 приращение температуры перехода будет составлять доли кельвин во всем диапазоне рабочих токов; таким приращением температуры можно пренебречь и считать температуру p-n-перехода одинаковой при любой амплитуде импульсов тока.

Измерительные сигналы, формируемые при реализации способа, показаны на фиг.1. Измеряя амплитуду импульсов прямого падения напряжения на диоде при трех известных значениях амплитуды импульсов тока (не превышающих предельно допустимого значения для данного типа диодов), согласно (4) получим систему уравнений:

где a=ln(I₁/I₀), а параметр b=ln k.

Система легко решается методом последовательных исключений. Вычислив разности падений напряжений

для сопротивления базы диода r_б получим выражение

где ν=ln 2/b.

Способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на фиг.2. Устройство содержит две клеммы 1 и 2 для подключения контролируемого диода, устройство управления 3, управляемый генератор 4 импульсов тока, пиковый детектор 5, регистратор 6 и вычислитель 7; при этом клемма 1 соединена с общей шиной устройства, клемма 2 соединена с выходом генератора 4 импульсов тока и с входом пикового детектора 5, выход пикового детектора 5 соединен с входом регистратора 6, а выход регистратора с входом вычислителя 7, при этом выход устройства управления подключен к управляющим входам генератора импульсов тока и регистратора. Эпюры, поясняющие работу устройства, приведены на фиг.3.

Контролируемый диод подключают анодом к клемме 1, а катодом к клемме 2 устройства. По сигналу "Пуск" устройство управления 3 вырабатывает четыре управляющих импульса через равные интервалы времени T (фиг.3, а); по сигналу первого управляющего импульса У1 генератор импульсов тока вырабатывает последовательность импульсов тока с амплитудой I₁ и скважностью Q (фиг.3, б), импульсы тока поступают в контролируемый диод, импульсное напряжение амплитудой U₁, создаваемое на диоде импульсами тока (фиг.3, в), преобразуется пиковым детектором 5 в постоянное напряжение величиной U₁ (фиг.3, г). По сигналу второго управляющего импульса У2 регистратор 6 преобразует напряжение U₁ в цифровой код, который поступает в вычислитель 7, по этому же сигналу амплитуда импульсов тока, вырабатываемых генератором 4, увеличивается в k-раз и процедура преобразования повторяется: импульсное напряжение амплитудой U₂ (фиг.3, в), создаваемое на диоде импульсами тока амплитудой kI₁, преобразуется в постоянное величиной U₂ (фиг.3, г).

По сигналу третьего управляющего импульса У3 регистратор 6 преобразует напряжение U₂ в цифровой код, который поступает в вычислитель 7, по этому же сигналу амплитуда импульсов тока вырабатываемых генератором 4 устанавливается равной 2kI₁ и процедура преобразования напряжения на диоде повторяется в третий раз: импульсное напряжение амплитудой U₃ (фиг.3, в), создаваемое на диоде импульсами тока амплитудой 2kI₁, преобразуется в постоянное величиной U₃ (фиг.3, г). По сигналу четвертого управляющего импульса У4 регистратор 6 преобразует напряжение U₃ в цифровой код, который поступает в вычислитель 7. По трем значениям напряжений U₁, U₂, U₃ при известном значении тока I₁ и коэффициента k вычислитель 7 вычисляет искомое значение сопротивления базы диода r_б по формуле (1).

При выборе значений амплитуды тока I₁ и коэффициента k для реализации способа следует руководствоваться следующими соображениями. Во-первых, необходимо соблюдать условие 2kI₁<I_max, где I_max - предельно допустимый импульсный ток для данного типа диодов, во-вторых, при токе величиной I₁ падение напряжения на сопротивлении базы должно быть заметным и составлять хотя бы 0,1…0,2 от падения напряжения на p-n-переходе; запишем это условие в виде r_боI₁>0,1U₁, где r_бо - ориентировочное (ожидаемое) значение сопротивления базы для данного типа контролируемых диодов. Из этих двух условий следует, что коэффициент k необходимо выбирать из условия k<5r_боI_max/U₁. Поскольку априори значение сопротивления базы не известно даже ориентировочно, то выбор значений амплитуды тока I₁ и коэффициента k можно осуществить по результатам предварительных измерений ВАХ, для которых можно использовать описанное выше устройство.