В статье приводится структурная схема аппаратной части автоматизированной обучающей системы для исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов. Представляются составные части измерительного блока. Описываются состав и назначение программных приложений системы.
Ключевые слова: автоматизированные измерения, вольт-амперные характеристики, полупроводниковые приборы, автоматизированная обучающая система, аппаратное обеспечение, программное обеспечение.
Лабораторный практикум по исследованию вольт-амперных характеристик (ВАХ) полупроводниковых приборов имеет большое значение для подготовки специалистов по многим направлениям, таким как электронное приборостроение, радиотехника, измерительная техника, автоматика и ряду других [1]. Кроме того, по этим направлениям ведется подготовка специалистов разного уровня квалификации: техники, специалисты, бакалавры, магистры, аспиранты.
Аппаратная часть включает в себя измерительный блок, набор образцов, выполненных в виде сменных кассет, и персональный компьютер. На рисунке 1 представлена структурная схема аппаратной части подсистемы измерений автоматизированной обучающей системы (АОС).
Рис. 1. Структурная схема аппаратной части АОС
На рисунке 2 представлен измерительный блок с открытой крышкой.
Рис. 2. Измерительный блок с открытой крышкой
На плате измерительных преобразователей находятся:
− релейный коммутатор, служащий для выбора образца исследований из имеющегося набора на сменной кассете и включения его в требуемую измерительную схему;
− управляемый источник напряжения;
− масштабный преобразователь для приведения напряжения на образце к диапазону входного напряжения аналого-цифрового преобразователя;
− управляемый источник тока/напряжения, служащий для формирования тока/напряжения на управляющем электроде исследуемого полупроводникового прибора;
− преобразователь ток–напряжение;
− преобразователь сигнала датчика температуры.
Контроллер представляет собой микропроцессорный модуль с устройствами аналогового и цифрового ввода/вывода данных, подключаемых к измерительным преобразователям, и контроллером шины USB для подключения к персональному компьютеру (ПК).
ПК с установленным программным обеспечением АОС позволяет осуществлять автоматизированные измерения параметров исследуемых приборов и структур, обработку и анализ экспериментальных данных. Реализуется программная коррекция инструментальных погрешностей измерительных преобразователей и процедур косвенных измерений.
На рисунке 3 представлены варианты исполнения кассет с исследуемыми образцами, которые подключаются к измерительному блоку на задней панели.
Рис. 3. Варианты кассет с исследуемыми образцами
Основные технические характеристики:
− диапазон напряжений на образце –100…+100 В,
− максимальный ток через образец при U < 10 В 60 мА,
− максимальный ток через образец при U > 10 В 6 мА,
− диапазон измеряемых значений тока 50 нА…50 мА,
− погрешность измерения напряжения и тока не более 0,5 %,
− максимальная температура в термокамере 120 °C,
− абсолютная погрешность измерения температуры не более 1 °C,
− суммарное время измерения ВАХ не более 2 сек.
Программное обеспечение АОС включает два основных исполняемых файла: приложение-сервер и приложение-клиент. Кроме того, имеется несколько дополнительных файлов, содержащих ресурсное обеспечение и параметры настройки системы.
Приложение сервера предназначено для установки на ПК, к которому подключен измерительный блок. Приложение сервера выполняет такие функции подсистемы администрирования в АОС, как калибровка и мониторинг работы системы. Для реализации этого функционала приложение сервера имеет интерфейс пользователя в виде окна отладки.
Приложение клиента создает программную среду работы пользователя в АОС, организуя работу практически всех ее подсистем. На рисунке 4 представлена главная экранная форма приложения клиента с интерфейсом пользователя. В этой форме можно выделить три области слева направо: область образцов и схем, область рабочей тетради, область виртуальных инструментов.
Рис. 4. Главная экранная форма приложения клиента
Дальнейшие перспективы разработки связаны с внедрением готового прибора в линейку учебных лабораторных стендов, разрабатываемых на кафедре «Нано- и микроэлектроника» [2], и его коммерциализацией на рынке учебного оборудования России и ближнего зарубежья.
Литература:
- Волчихин В. И., Медведев С. П., Вареник Ю. А., Метальников А. М., Карпанин О. В., Печерская Р. М. Полупроводниковые структуры и приборы (Автоматизированный лабораторный практикум): Учеб. пособие под ред. д-ра техн. наук, проф. Р. М. Печерской. Пенза, Изд-во ПГУ 2013 г. — 198 с.
- Печерская Е. А., Соловьев В. А., Вареник Ю. А., Карпанин О. В. Методология научных исследований материалов нано- и микроэлектроники: модели предметной области: Учеб. пособие под ред. д-ра техн. наук, проф. Р. М. Печерской. Пенза, Изд-во ПГУ 2012 г. — 154 с.
