Работа прибора с новым СВЧ блоком

5.1 Установка СВЧ блока в прибор. Методика измерения удельного сопротивления при температуре от 0 до 50

 

Изготовленный СВЧ генератор был помещён в металлический корпус (рисунок 47).

Распаян СВЧ кабель, кабели управления и кабель питания 10 В. Блок питания в МПУ с 12В был переделан на 10В. После этого СВЧ генератор был установлен в прибор, проверена его работоспособность. Измерен стандартный образец кремния № 6 его удельное сопротивление и время жизни (рисунок 48).

Экспериментальные результаты. Выводы

 

Для измерения удельного сопротивления образца при разных температурах СВЧ генератора, новый СВЧ блок был помещён в криостат. Цифровой датчик МПУ был закреплён на плату СВЧ генератора. С помощью фена температура СВЧ генератора изменялась от 25 до 50 . При заливки жидкого азота температура СВЧ генератора понижалась от 25 до 0 . При изменении температуры от 0 до 50  фиксировался сигнал с детектора, и измерялось время жизни образца № 6.

На рисунке 49 приведена экспериментальная зависимость напряжение с СВЧ детектора при изменении температуры СВЧ генератора от 0 до 50 . Из рисунка видно, что действительно СВЧ генератор практически не изменяет своих параметров (Рвых, частоты генерации) в данной области температур.

Таким образом, новый разработанный СВЧ генератор позволяет расширить работоспособность прибора в области температур 10 - 40 .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В ходе дипломной работы изучены принципы работы приборов для бесконтактного измерения электрофизических параметров полупроводников на СВЧ.

Разработан новый СВЧ блок и его техническая документация.

Исследованы метрологические характеристики прибора «SemiCon - 1».

Выпущена серия СВЧ блоков.

Разработанный СВЧ блок позволяет прибору работать в более широком диапазоне температур (10 - 40 ) сохраняя метрологические характеристики.

Стоимость разработанного СВЧ блока порядка 4 тысяч рублей, что значительно меньше подобных устройств выпускаемых НПФ «Микран» и других заводов изготовителей.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Андронов Е.В. Генератор диапазона 1-2 ГГц с резонатором на сосредоточенных элементах для октавных синтезаторов частот / Е.В. Андронов, А.В. Горевой - Омск.: ОАО «ЦКБА», 2010. - C. 24-29.

. Andrei Grebennikov. RF and Microwave Transistor Oscillator design / John Wiley & Sons, Ltd. - Chichester: England, 2007. - 441 p.

. Rohde U.L. The Design Of Modern Microwave Oscillators For Wireless Applications / Ulrich L.Rohde, Ajay Kumar Poddar, Georg Bцck. - New Jersey, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2005. - 543 p.

.Ковтонюк Н.Ф. Измерение параметров полупроводниковых материалов. / Н.Ф. Ковтонюк, Ю.А. Концевой- М.: Металлургия, 1970.

5.Ахманаев В.Б. Резонатор для бесконтактного измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов / В.Б. Ахманаев, Ю.В. Медведев, А.С. Петров.- М: Наука, 1981.- С. 48-51.

6.Лапатин Л.Г. Экспрессное определение электрофизических и ре- комбинационных характеристик особо чистого германия бесконтактными методами/ Л.Г. Лапатин А.С. Петров, И.И. Киселев.- М.: ЦНИИато- минформ, 1986. - 28 с.

7.Детинко М.В. Физические основы неразрушающего СВЧ- резонансного метода локального контроля электрофизических параметров полупроводников/ М.В. Детинко, Ю.В. Медведев, А.С.Петров. - Томск: Изд-во ТГУ, 1988.-30 с.

8.Лапатин Л.Г. Бесконтактные методы и аппаратура для измерения электрофизических параметров полупроводников /Л.Г. Лапатин, С.Д. Воторопин. - Севастополь, 2005. - С. 791-792.

9.Miyamoto N. Contactless measurement of resistivity of slices of semiconductor materials/N. Miyamoto,J.Nishizawa-Research institute of electrical communication. - 1967. - P. 360-367.

10.Лапатин Л.Г. Фотоэлектрические, рекомбинационные и пороговые характеристики охлаждаемых фоторезисторов из чистого германия с поверхностным изгибом зон/ Л.Г.Лапатин.- Дис. канд. физ.-мат. наук. - Томск, 1983. - 239 с.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

 

Поз. Обозначение			Наименование				Кол.		Примечание
			Резисторы
R1			0603 139 Ом				1
R2			0603 47 Ом				1
R3,R5 R7,R8			0603 288 Ом				4
R4,R6,R9,R10			0603 4,3 Ом				4
			Конденсаторы
С4			0805 68 пФ				2
С2, С7, С6			0805 0,1 мкФ				3
С3, С8			0805 4,7 мкФ				2
С1, С5			0805 1000 пФ				2
			Катушки индуктивности
L1			0603 48 нГн				1
			Микросхемы аналоговые
1			V585ME06-LF				1
U1			SBB3089Z				1
			Вилки
Х3			WF - 3M				2
			Стабилизатор напряжения
V1			ADP 3336ARZ				1
			Другое
			SMA 20-001A0				1
						Генератор
Поз. Обозначение			Наименование				Кол.	Примечание
			Резисторы
R1, R2			0603 51 Ом				2
R4,R5 R6,R7			0603 10 кОм				4
R10, R14			0603 22 кОм				2
R16			0603 330 Ом				1
			Конденсаторы
С4,С6			0805 1000 пФ				2
С7,С8			0805 100 пФ				2
С13, С14			0805 4,7 мкФ				2
			Диоды
VD1			HSMS-286K				1
			Микросхемы аналоговые
			AD8051ART				1
			Вилки
Х3			WF - 2M				1
			Стабилизатор напряжения
V1			ADP3330ARZ				1
			Другое
			SMA 20-001A0				2
						Кв.детектор

 

Порядок работы с ИВК

А.1 Подготовка к проведению измерений удельного сопротивления.

А.1.1 Проведите соединение устройства «Ангара-2» с ПК и с контрольно-измерительными приборами.

Перед работой с устройством или после ремонта, необходимо провести калибровку устройства «Ангара-2».

Рекомендуется каждый раз перед началом работы проводить ТЕСТ - локальное измерение медной шайбы и прилагаемого эталонного полупроводникового образца для установления соответствия измеренных значений со значениями на калибровочной кривой (в случае совпадений в пределах 10% -устройство «Ангара-2» исправно и готово к работе.

А.2 Порядок работы устройства «Ангара-2» в аналоговом режиме.

При отсутствии ПК, или при сбоях программного обеспечения, а также при поломке модуля USB3000 удельное сопротивление полупроводникового образца можно всегда измерить в аналоговом режиме.

А.2.1 Проведите соединение устройства «Ангара-2» с контрольно - измерительными приборами .

А.2.2 Включите ЭБ с помощью тумблера 220 В.

А.2.3 Включите контрольно-измерительные приборы; осциллограф и цифровой вольтметр.

А.2.4 Включите тумблер СВЧ

А.2.5 Дайте прогреться контрольно- измерительным приборам и установке 30 минут

А.2.6 В центре измерительного стола закрепите медную шайбу

А.2.7 С помощью кнопок управления шаговым двигателем по координате Z опустите СВЧ-резонатор на медную шайбу

А.2.8 На лицевой панели БУИ переведите тумблер ЭВМ в положение АВТ

А.2.9 На этой же панели включите тумблер ВИБРАЦИЯ. При этом на экране осциллографа должны появиться две резонансные кривые, а цифровой вольтметр должен индицировать значение напряжения, соответствующее сигналу на меди при данной температуре

А.2.10 Выключите тумблер ВИБРАЦИЯ

А.2.11 Поднимите с помощью кнопок Z+ и Z- СВЧ - резонатор над столом.

А.2.12 Вместо медной шайбы закрепите на измерительном столе исследуемый полупроводниковый образец

А.2.13 С помощью кнопок Z+ и Z- опустите СВЧ - резонатор на исследуемый образец

А.2.14 Включите тумблер ВИБРАЦИЯ. При этом на экране осциллографа должны появиться две резонансные кривые, а цифровой вольтметр должен индицировать значение напряжения, соответствующее сигналу исследуемого полупроводникового образца при данной температуре. Чтобы определить величину удельного сопротивления этого образца необходимо знать зависимость прошедшей через резонатор СВЧ мощности от значений удельного сопротивления во всей области от 10-2 до 10+5 Ом · см. Для этого проводится калибровка установки.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

 

Калибровка устройства «Ангара-2»

Для кремния эталонные образцы перекрывают почти весь диапазон, есть от 100 до 1.104 Ом · см. Для более высокоомных образцов как кремния так и германия, более 103 Ом · см, калибровочная кривая рассчитывается по известному соотношению:

 

 (1)

 

где Uo(T) - сигнал при температуре Т с резонатора, когда под измерительным отверстием размещена медная шайба. В данном случае это область комнатных температур.

Из этого выражения находится коэффициент α

 

α  (2)

 

где ρi = 10+3 - 10+4 последние высокоомные значения эталонных образцов

Используя полученный коэффициент α,рассчитываем калибровочную кривую от 103 до 105 Ом · см при комнатной температуре по формуле 6.

Таким образом, мы построили калибровочную зависимость для всей области значений удельных сопротивлений. Стоит отметить, что построенными таким способом калибровочными кривыми для кремния и германия при комнатной температуре можно воспользоваться при измерении других полупроводниковых материалов соответственно.

ПРИЛОЖЕНИЕ В

 

Методика измерения на приборе Байкал-SemiCon-1 времени жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ) в пластинах и слитках поли- и моно- кремния.

Метод. По спаду импульсной фотопроводимости на СВЧ.

Стандарт. ГОСТ

Датчик- резонатор квазистатического типа с внешним кольцевым измерительным отверстием, включенный на проход. Область частот от 1.1 до 1.7 ГГц.

Физика. Измеренные значения неравновесных носителей заряда, могут быть как объемными так и эффективными.

Пластины. Когда толщина l пластины больше диффузионной длины l= (1-3) Lg (но не толше) при освещении сверху измеряются объемные значения времени жизни τ. Если l< Lg измеряется эффективное время жизни носителей заряда. При отсутствии пластины - спутника можно измерить на слитках.

Слитки. Данный прибор позволяет измерить время жизни ННЗ по краям торца слитка.

При l> (1-3) Lg - объемные значения

При l< Lg- эффективные значения времени ННЗ.

Измерение времени жизни ННЗ в платинах кремния.

В.1 Толщина пластины l= (1-3) Lg - 1 условие или l< Lg , где Lg - диффузионная длина НЗ

В.2 Тест- пластина кремния с известным значением времени жизни ННЗ и уровнем сигнала при одном режиме измерения.

Этим тестом проверяется- канал излучения и канал регистрации.

В.3 Требование к обработке поверхности:

Поверхность образца должна быть плоской, чистой, сухой (не влажной). Перед измерениями непосредственно нельзя протирать спиртом или водой и другими растворителями. Просушить под лампой!

В.4 Положить образец на измерительное отверстие СВЧ резонатора.

В.5 Закрыть крышкой с излучателями.

В.6 Опустить темновой экран.

В.7 Нажать на кнопку на экране монитора « поиск резонанса» (см. РЭ)

В.8 Посмотреть значения удельного сопротивления пластины и соответственно задать параметры излучения светодиодов.

В.8.1 Uсв = 5В, (7;9;11;13;15;17;19)В

τ св = (10 50 100 200 400 700 1000) мкс.

Рекомендуется начать со значений := 7B, τ = 100мкс.

В.9 Нажать кнопку на мониторе и измерить время жизни ННЗ.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Работа с прибором

Д.1 Нажать кнопку «Автокалибровка». Дождаться, когда погаснет голубой индикатор в панели статуса.

Д.2 В поле ввода «Допуск» ввести прогнозируемую погрешность измерения напряжения детектора (в процентах) - 1%.

Д.3 Положить образец на измерительное отверстие СВЧ резонатора.

Д.4 В поле ввода «Образец» ввести обозначение образца (порядковый номер). В поле ввода «Материал образца» выбрать соответствующий материал.

Д.5 Для измерения удельного сопротивления нажать кнопку «Поиск резонанса». Дождаться, когда погаснет голубой индикатор в панели статуса. По завершению поиска резонанса, в измеренных данных будет выведено измеренное значение удельного сопротивления образца. Ветка калибровочной кривой в этом случае определяется исходя из частоты резонанса.

Д.6 Для измерения времени жизни ННЗ нажать кнопку «Измерить время». При этом все элементы управления будут затенены (отключены). Подождать около 1.5 секунд, пока прибор проведет три цикла измерения, и компоненты станут доступны. По завершению измерения, в графопостроителе формы кривой измерения времени жизни будет выведена форма последнего импульса, а в измеренных данных выведена информация о средней амплитуде трех импульсов, среднему времени жизни, и скорректирована информация об удельной проводимости. Ветка калибровочной кривой будет определена исходя из полярности последнего импульса.

Д.7 Для определения типа проводимости разместить образец над емкостным датчиком и нажать кнопку «Тип проводимости». После этого будет произведен один цикл измерения типа проводимости, форма импульса будет выведена на соответствующем графопостроителе, а в измеренных данных будет отображена измеренная проводимость.

Д.8 При необходимости сохранения измеренных данных, нажать на иконку «Сохранить», и выбрать имя файла для сохранения.

Повторить п. Д.1- Д.8 для всех измеряемых образцов.

Просмотр, визуализация и обработка сохраненных данных:

Запустить программу «Microsoft Excel», либо другой табличный редактор.

В выпадающем списке «Тип файла» выбрать вариант «Все файлы».

Открыть сохраненный в п. Д.8 файл.

Если программа выдаст диалоговое окно с выбором формата файла, выбрать вариант «Разделитель - точка с запятой (;)».

Полученные данные можно визуализировать и обработать, используя стандартные методы программы «Excel».

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Е