Способ измерения падения напряжения на полупроводнике в мдпдм-структуре и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может найти применение в электронной технике для измерения напряжений на диэлектрике и полупроводнике, а также их временного изменения в МДПДМ-структурах. Сущность изобретения: способ измерения падения напряжения на полупроводнике в МДПДМ-структуре состоит в том, что определяют падение напряжения на диэлектрике путем интегрирования на емкости диэлектрика, протекающего через МДПДМ-структуру тока, а затем проводят вычитание полученного интеграла из полного напряжения, приложенного к МДПДМ-структуре. Устройство, реализующее способ, содержит выход напряжения питания от источника импульсного напряжения для МДПДМ-структуры, МДПДМ-структуру, делитель напряжения, интегрирующий усилительный блок, измерительную емкость, дифференцирующий усилитель, блок индикации напряжений на полупроводнике и диэлектрике и их временных зависимостей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может найти применение в электронной технике для измерения напряжений на диэлектрике и полупроводнике, а также их временного изменения в МДПДМ-структурах. Изобретение может быть использовано также в оптикоэлектронике для определения основных параметров носителей оптической информации на основе МДПДМ-структур и их временного изменения (например, контрастности регистрируемого изображения и ее временного изменения).

Структуры металл диэлектрик полупроводник диэлектрик металл (МДПДМ-структуры) на основе высокоомного фоточувствительного полупроводника с электрическим эффектом используются для обработки оптической информации в качестве носителей информации, работающих в динамическом режиме. Полное напряжение U₀, приложенное к структуре МДПДМ, распределяется на высокоомном полупроводнике и диэлектрике обратно пропорционально емкостям этих слоев: U₀ U_п(t) + U_д(t).

Одной из основных величин, определяющих параметры регистрируемого изображения (контраст, разрешающая способность), является напряжение на полупроводнике и его временная зависимость. В электрооптических кристаллах напряжение на полупроводнике U_п(t) модулирует интенсивность Ф(t) проходящего в скрещенных поляроидах поляризованного света [1] где Ф₀ интенсивность падающего на полупроводник света, Uλ/2 - - полуволновое напряжение электрооптического кристалла.

В случае, когда в МДПДМ-структуре записано изображение, напряжение на полупроводнике в различных точках его поверхности различно по величине. Различие в напряжениях в различных точках поверхности полупроводника приводит в соответствии с выражением (1) к разным интенсивностям проходящего через полупроводник в этих точках поляризованного нейтрального считывающего света, образуя изменяющийся со временем контраст изображения K(t), определяемый в виде: где Ф(t)_max и Ф(t)_min максимальная и минимальная интенсивность считывающего света на выходе электрооптического кристалла.

Для определения контраста изображения таким образом, необходимо измерить напряжение на полупроводнике и его изменение во времени U_п(t), определяющее интенсивность проходящего через МДПДМ-структуру света Ф(t).

Известен способ измерения параметров МДП-структур и устройство для его реализации [2] В основу измерения параметров комплексной проводимости положен метод компенсации одной из составляющих проводимости и измерения другой составляющей при протекании тока через МДП-структуру.

Этот способ и устройство для его реализации не могут быть использованы для измерения параметров комплексной проводимости МДПДМ-структуры, поскольку полупроводник в такой структуре в отличие от МДП-структуры является высокоомным. Провести измерения напряжения на полупроводнике с помощью этого способа и устройства невозможно.

Известен также способ регистрации вольт-фарадных характеристик МДП-структуры [3] и устройство для его реализациии, в основе которого лежит уточненная схема МДП-структуры, когда эквивалентная емкость МДП-структуры (C_экв.МДП) заменена последовательно соединенными емкостями полупроводника C_п и диэлектрика C_д. За счет вывода МДП-структуры в режим сильного обогащения измеряется точное значение C_д, а в режим глубокого обеднения C_п.

Этот способ неприменим для случая МДПДМ-структуры, так как при использовании высокоомного полупроводника, изолированного слоями диэлектрика, вывести ее в режимы обогащения и обеднения невозможно. В силу этого невозможно получить традиционную для МДП-структуры вольт-фарадную характеристику и измерить падения напряжений на полупроводнике и диэлектрике, а также емкости C_д и C_п.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение возможности точного измерения падений напряжения как на диэлектрике, так и на полупроводнике.

Решение указанной задачи достигается тем, что определяют падение напряжения на диэлектрике путем интегрирования на емкости диэлектрика протекающего через МДПДМ-структуру тока J(t): а затем проводят вычитание полученного интеграла, равного падению напряжения на диэлектрике, из полного напряжения, приложенного к МДПДМ-структуре: U_п(t) U₀ U_д(t).

Существенными отличительными признаками предлагаемого способа определения падения напряжения на полупроводнике является интегрирование на емкости диэлектрика тока, протекающего через МДПДМ-структуру, числовое определение интеграла, соответствующего падению напряжения на диэлектрике, а затем - вычитание этого интеграла из полного напряжения, приложенного к МДПДМ-структуре.

Данные отличительные признаки являются новыми, поскольку не использовались в известных способах определения падения напряжения на полупроводнике в МДПДМ-структуре, и существенными, поскольку обеспечивают решение поставленной задачи.

Способ реализуется с помощью устройства измерения напряжения на полупроводнике и диэлектрике и их временного измерения. Устройство измерения содержит источник импульсного напряжения, объект измерения (МДПДМ-структура), делитель напряжения, дифференцирующее устройство, интегрирующее устройство, измерительную емкость, индикаторное устройство, при этом выход источника импульсного напряжения соединен с входом объекта измерения и делителя напряжений, первый вход дифференцирующего устройства соединен с выходом делителя напряжения, второй вход с выходом интегрирующего устройства, а через измерительную емкость с первым входом интегрирующего устройства и с выходом объекта измерения, выход дифференцирующего устройства связан с входом индикаторного устройства, второй вход которого вместе со вторым входом интегрирующего устройства заземлены.

Структурная схема устройства представлена на фиг. 1. На фиг. 2 изображена эквивалентная схема МДПДМ-структуры. На фиг. 3 показаны временные зависимости напряжения (а), приложенного к структуре, падения напряжения на диэлектрике (б) и полупроводнике (в).

Устройство (фиг. 1) содержит выход напряжения питания U(t) от источника импульсного напряжения для МДПДМ-структуры 1, МДПДМ-структуры 2, делитель напряжения 3, интегрирующий усилительный блок 4, измерительную емкость C_изм. 5, дифференцирующий усилитель 6, блок индикации напряжений на полупроводнике и диэлектрике и их временных зависимостей 7. На фиг. 2 изображено: C_д емкость слоев диэлектриков в МДПДМ-структуре 2, R_п и C_п сопротивление и емкость полупроводника в МДПДМ-структуре 2. На фиг. 3 обозначено: U_о амплитуда импульса, приложенного к МДПДМ-структуре напряжения (а), U_до падение напряжения на диэлектрике (б) и полупроводнике (в) U_по в момент подачи U_о(t t_о).

На эквивалентной схеме МДПДМ-структуры (фиг. 2) полупроводник представлен геометрической емкостью C_п и сопротивлением R_п, зависящим от интенсивности и длины волны падающего света. Диэлектрические слои представлены суммарной геометрической емкостью C_д. Сопротивлением диэлектрика пренебрегли, так как для работоспособного носителя оптической информации оно должно быть значительно больше R_п. В этой эквивалентной схеме приложенное к МДПДМ-структуре напряжение U(t) распределяется на падения напряжений на диэлектрических слоях U_д(t) и полупроводнике U_п(t) обратно пропорционально величинам емкостей C_д и C_п: U(t) U_д(t) + U_п(t) (3)
Падение напряжения на слое диэлектрика U_д(t) является интегралом протекающего через МДПДМ-структуру тока J(t):

Тогда, в силу соотношения (3), напряжение на полупроводнике U_п(t) равно:

Временные изменения напряжений на диэлектрике U_д(t) и полупроводнике U_п(t) при подаче через вход (фиг. 1) схемы измерения на МДПДМ-структуру 2 ступеньки напряжения с амплитудой U_о от источника 1 показаны на фиг. 3. При C_д/C_п 1 в начальный момент времени t t_о приложенное к МДПДМ-структуре напряжение делится пополам: U_до U_по U_о/2. В дальнейшем происходит заряд через сопротивление полупроводника R_п с постоянной времени τ R_п(C_д + C_п), и напряжение на емкости полупроводника будет падать (режим заряда).

С помощью схемы, представленной на фиг. 1, проводится определение напряжения на полупроводнике U_п(t) путем интегрирования протекающего через МДПДМ-структуру 2 тока J(t) на емкости диэлектрика C_д и вычитания полученного интеграла, равного напряжению на диэлектрике, из подаваемого на вход МДПДМ-структуры напряжения U_о с применением интегрирующего усилительного блока 4 на основе измерительной емкости C_изм. 5. Измерительная емкость выбрана таким образом, чтобы ее значение удовлетворяло неравенству: C_изм.≥>C_д, C_п во избежание влияния этой емкости на перераспределение напряжений между C_д и C_п. Входное сопротивление интегрирующего блока 4 выбрано таким, чтобы ток утечки был во много меньше тока, протекающего через МДПДМ-структуру. На выходе интегрирующего усилительного блока 4 получаем напряжение на диэлектрике U_д(t) (фиг. 3,б), поступающего на вход дифференциального усилителя 6.

Устройство работает следующим образом.

При подаче прямоугольного импульса напряжения с амплитудой U_о (фиг. 3,а) на вход МДПДМ-структуры (режим "заряда") в первый момент времени t t_о напряжение U_о в соответствии с эквивалентной схемой МДПДМ-структуры (фиг. 2) делится на C_д и C_п обратно пропорционально их величинам: U_д U_до, U_п U_по U_о U_до. При этом в цепи протекает заряд Q Q_изм Q_д Q_п. Если полупроводник теперь осветить активным для него светом, то сопротивление R_п резко уменьшится, что приведет к закорачиванию C_п через R_п. В этом случае напряжение на C_д со временем возрастает до U_д U_о (фиг. 3,б), а на полупроводнике уменьшится практически до нуля (фиг. 3,в).

Делитель напряжения 3 служит для задания величины нужного масштабного множителя для напряжения U_о, подаваемого на вход дифференцирующего усилительного блока 6, и не должен искажать его формы. С помощью блока 6 проводится вычитание из падения напряжения U_о падение напряжения на диэлектрике U_д(t), на выходе блока формируется падение напряжения на полупроводнике U_п(t), поступающее на индикаторное устройство 7.

Преимущество предлагаемого способа и устройства измерения падения напряжения на полупроводнике в МДПДМ-структуре заключается в следующем. Имеется возможность косвенным путем измерить абсолютные значения падения напряжения на полупроводнике и его временное изменение, а также их зависимость от интенсивности, длительности и дозы освещения записывающей подсветки, когда МДПДМ-структура используется в качестве носителя оптической информации. На основе зависимости U_п(t) от интенсивности записывающей подсветки или дозы освещенности по формуле (2) можно определить контраст регистрируемого изображения K. Кроме того, по соотношению падений напряжений на полупроводнике U_по и диэлектрике U_до в момент подачи импульса напряжений питания U_о(t t_о) при известном значении емкости МДПДМ-структуры C (измеряется обычным методом) можно рассчитать емкости слоев диэлектрика C_д и полупроводника C_п, учитывая, что:
C^-1= C^-_д¹+ C^-_п¹ (6) и
C_д/C_п U_по/U_до. (6)
Кроме того, достоинством способа и устройства является наглядность, поскольку на экране индикаторного устройства, в качестве которого использован запоминающий осциллограф, входящего в состав устройства для реализации способа, можно записывать зависимости U_п(t) и U_д(t), их соотношения и влияние на них интенсивности и длительности записывающей подсветки.

Формула изобретения

1. Способ измерения падения напряжения на полупроводнике в МДПДМ-структуре, заключающийся в том, что пропускают ток через МДПДМ-структуру, отличающийся тем, что определяют падение напряжения на диэлектрике путем интегрирования на емкости диэлектрика, протекающего через МДПДМ-структуру тока, а затем проводят вычитание полученного интеграла из полного напряжения, приложенного к МДПДМ-структуре.

2. Устройство измерения падения напряжения на полупроводнике в МДПДМ-структуре, содержащее источник напряжения, объект измерения, делитель напряжения и индикаторное устройство, при этом выход источника напряжения связан с входом объекта измерения, первый вход индикаторного устройства соединен с выходом делителя напряжения и выходом объекта измерения, отличающееся тем, что введены дифференцирующий усилитель, интегрирующее устройство и измерительная емкость, при этом выход источника напряжения соединен с входом объекта измерения и делителя напряжения, первый вход дифференцирующего усилителя соединен с выходом делителя напряжения, второй вход с выходом интегрирующего устройства, а через измерительную емкость с первым входом интегрирующего устройства и с выходом объекта измерения, выход дифференцирующего усилителя связан с входом индикаторного устройства, второй вход которого вместе с вторым входом интегрирующего устройства заземлены.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3