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APPAREIL DE MESURE DE CAPACITES ELECTRIQUES FAIBLES. - (Inventeurs: H.F. MATARE, G. CALON et P. PHILIPPOTEAUX0
Lorsqu'on veut procéder à certaines recherches, spécialement à cel- les qui visent la réalisation et l'emploi de corps semi-conducteurs, il est indispensable d'avoir recours à des mesures très précises de capacités. Par exemple, il est intéressant de mesurer d'une façon précise la capacité des organes semi-conducteurs, car on peut tirer d'une telle détermination des conclusions fort utiles sur la densité nA des points d'impuretés ou portions pertubatrices d'un semi-conducteur.
En effet, selon W. Schottky, cf. Théorie étendue et simplifiée des redresseurs à couche limite (Vereinfachte uo erweiterte Théorie d. Randschicht- gleichrichtern, Zeit, f. Physik, Volume 118 p 539, 1941/42), nA est lié à la capacité de la couche d'arrêt par la relation suivante :
EMI1.1
d (1/C) = 8 1t a d U 6e n. formule dans laquelle ¼ = constante diélectrique ou pouvoir inducteur spécifique
U = tension en volt e = charge unitaire
C = capacité en farad
On voit, par conséquent, qu'il est important, dans de tels cas, d'être en mesure de pouvoir déceler les minimes différences de capacités entre les points, correspondant à divers potentiels, des courbes caractéristiques "directe" et "inverse" exprimant l'asymétrie d'un semi-conducteur.
Autrement dit, il faut pouvoir mesurer des capacités de l'ordre deO,1 picofarad (pF) amorties par des résistances faibles, ce que ne permettent pas les capacimètres actuellement connus. Ceux-ci utilisent généralement des ponts
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de mesure (pont de Wheatstone ou autres) qui ont l'inconvénient de ne fonc- tionner généralement qu'aux fréquences relativement basses et de ne permet- tre aucune mesure préoise de capacité au dessous de 10 pF, surtout lorsque ladite capacité est shuntée, donc amortie, par une très faible résistance (de l'ordre de quelques centaines d'ohms).
Si l'on vent arriver à mesurer des capacités plus faibles, on est obligé d'avoir recours à des appareils compliqués, d'un prixtrès élevé et d'un maniement délicat.
La présente invention, due aux travaux de Messieurs Herbert François MATARE, Georges GALON et Pierre PHILIPPOTEAUX, a pour objet un capacimètre d' une construction simple et ne nécessitant, après que les ajustements de base ont été effectués, que la manoeuvre d'un seul organe en vue de mesurer la ca- pacité pour le point de la caractéristique considéré, ledit capacimètre per- mettant de mesurer des capacités de l'ordre de 10 pF à 1/100 de pF.
Ce capacimètre, qui s'applique plus spécialement à la mesure de très faibles capacités amorties par des résistances faibles (cas des semi-con- du-cteurs), peut toutefois s'appliquer également à la mesure de toutes sortes de capacités, même à la mesure de capacités pureso
Ledit capacimètre est caractérisé par les moyens essentiels suivants, considérés isolément ou en combinaison
1 ) le capacimètre comporte un circuit d'entrée, un circuit de mesu- re comprenant la capacité à mesurer et accordé sur la fréquence d'entrée pré- citée, un oscillateur local et un circuit mélangeur de la fréquence d'entrée et de la fréquence oscillatrice locale;
2 ) on utilise dans le circuit mélangeur une lampe penthode dont une partie travaille en oscillateur local et dont le circuit de grille de commande est couplé avec le circuit de mesure précité;
3 ) la fréquence d'entrée est une fréquence très élevée, de l'ordre de 6C Mc/s, et la moyenne fréquence, obtenue par le mélange de la fréquen- ce d'entrée et de la fréquence oscillatrice locale, est de l'ordre de 20Mc/s et est amplifiée et redressée pour être représentée par la déviation de l'ai- guille d'un microampèremètre;
4 ) le circuit de mesure comprend un circuit à faible capacité qui est accordé sur la fréquence d'entrée, au moyen de l'organe de mesure et avec lequel la capacité à mesurer est montée en parallèle, ledit circuit étant à accord très pointu, c'est-à-dire présentant un coefficient de surtension, Q, élevé ;
5 ) l'oscillateur local est connecté à la penthode suivant le mon- tage connu sous le nom de "montage trois-points";
6 ) le circuit de grille de commande de la penthode mélangeuse est également couplé avec un circuit absorbeur destiné à éviter toute tension provenant de l'oscillateur local et appliquée à la capacité à mesurer.,
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ap- paraîtront au cours de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé sur lequel on a représenté schématiquement et à titre d'exemple seule- ment un mode de réalisation de la présente invention.
La figure unique du dessin annexé représente le schéma électrique du capacimètre établi suivant l'invention.
Ainsi qu'on le voit sur le dessin, la capacité à mesurer qui, dans l'exemple représenté, est constituée par un semi-conducteur 1, est montée en parallèle, dans un circuit de mesure à faible capacité, constitué par une self 2 et un condensateur 3 variable.à l'aide d'un démultiplicateur au 2/1000e par exemple et initialement calibré à partir d'une capacité étalon. Ce circuit de mesure est couplé, d'un-côté avec un circuit d'entrée 4 d'une fréquence élevée, de l'ordre de 60 Mc/s par exemple, et, de l'autre côté, au moyen d'une self 5 et d'un condensateur réglable 6 avec le circuit de la grille de comman-
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de 7 d'une penthode mélangeuse 8 dont la partie au delà de la grille 7 tra- vaille en oscillateur local.
Comme on le voit sur le dessin, cet oscillateur local 9 est connec- té à la plaque 10 et à la grille-écran 11 et à la grille d'arrêt 12 de la penthode suivant le montage connu sous le nom "montage trois-points", une self 13 étant disposée entre le point commun et la masse, en même temps que la ré- sistance 14 et les condensateurs 15 habituelso
La cathode 16 de la penthode est connectée à un circuit moyenne fré- quence 17 dont le condensateur ajustable 18 peut être adapté une fois pour toutes pour la bande passante moyenne fréquence, cette moyenne fréquence arri- vant par un fil blindé 19 à un amplificateur 20 (à trois étages par exemple) représenté d'une façon très schématique sur le dessin, suivi d'une diode ou organe détecteur 21 dont le courant redressé est mesuré par un microampèremè- tre 22.
Le semi-conducteur dont on veut mesurer la capacité est mis capa- citivement à la masse au moyen d'un condensateur 23 de façon à permettre de lui appliquer une tension de polarisation au moyen d'un potentiomètre 24.
Sur le fil de connexion 25, entre le potentiomètre et le semi-conducteur, est intercalé un milliampèremètre 26 et, éventuellement un filtre 27. Un voltmètre 28 est disposé en parallèle entre la partie du potentiomètre et la masse.
Enfin un circuit absorbeur ou circuit bouchon 29 est couplé avec le circuit de la grille de commande 7 de la penthode par l'intermédiaire de la self 5, de façon à éviter la moindre charge provenant de l'oscillateur lo- cal sur le détecteur 1 dont on veut mesurer la capacitéo
Pour se servir du capacimètre qui vient d'être décrit ci-dessus, on procède de la façon' suivante : - on met d'abord le détecteur 1 en place (après s'être assuré tou- tefois de son õn état de fonctionnement); --on branche ensuite l'appareil de façon à mettre sous tension la penthode mélangeuse qui comprend son oscillateur local monté suivant le "mon- tage trois points", ainsi que l'amplificateur moyenne fréquence 20;
- on accorde le circuit absorbeur 29 sur la fréquence de l'oscilla- teur local, de manière à amener à une valeur minima le courant redressé par le détecteur 1, ce qu'on constate au moyen du milliampéremètre 26 ; - on branche ensuite la haute fréquence,' par exemple par le circuit d'entrée 4 et on l'accorde au moyen du condensateur 6 de telle façon que le mélange avec la fréquence oscillatrice locale donne la moyenne fréquence jus- qu'à ce que le microampèremètre 22 indique une élongation maximum; - on enlève alors le détecteur 1 et on accorde le circuit de mesu- re 2 sur la même résonance que le circuit mélangeur, de façon à obtenir la déviation maximum au microampèremètre 22, c'est-à-dire de façon à obtenir le point de référence pour la capacité à mesurer;
- on remet ensuite le détecteur en place, ce qui provoque un désac- cord du circuit de mesure 2-3 par la capacité du détecteur 1 ainsi mis en pa- rallèle et on fait varier le potentiomètre 24 de façon à se placer en tout point désiré de la caractéristique du détecteur; - on agit alors sur le condensateur de mesure 3 pour régler l'accord, ce qui est obtenu lorsqu'on a réalisé le maximum de déviation au microampère- mètre 22 ; - on lit alors, sur le cadran du condensateur variable 3 qui a été, comme on l'a dit précédemment, rigoureusement étalonné, la valeur de la capa- cité du semi-conducteur 1 pour le point de la caractéristique analysé.
On voit, d'après ce qui précède, qu'une fois le réglage de l'appa- reil effectué sur des haute et moyenne fréquences déterminées et la capaci- té à mesurer 1 mise en place, que la seule manoeuvre à effectuer pour mesurer
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cette capacité, est de faire varier le condensateur 3 et de lire sur le ca- dran de ce condensateur la valeur de la capacité à mesurer.
On voit, par conséquent, d'une part, que grâce à l'utilisation en particulier de la penthode mélangeuse oscillatrice 8, on réalise un capaci- mètre de construction extrêmement simple et que, en outre, son maniement est des plus faciles.
Bien entendu, le montage des embouts fixant le détecteur 1 doit être tel que la capacité des dits embouts par rapport à la masse soit tout à fait négligeable vis-à-vis de la capacité du détecteur nu et aussi de fa- çon à ne pas fausser la mesure. Des précautions doivent donc être prises pour le montage de ces embouts.
Les particularités du montage qui a été décrit ci-dessus sont les suivantes : - circuit de mesure 2 très pointu (c'est-à-dire avec coefficient de surtension Q élevé) ce qui facilite beaucoup la lecture de la capacité 3 ; - fréquence très élevée, de l'ordre de 60 Mc/s donnant une capaci- té de départ faible (10 à 20 pF), d'où une grande précision pour la mesure de faibles variations; - sensibilité, pour fréquence du générateur, telle que le courant redressé provenant de tension H F aux bornes du détecteur soit minime, ce qui est obtenu grâce au principe du mélange ; - aucune gêne provoquée par la tension provenant de l'oscillateur local qui est évidemment plus élevée que celle du signal, ceci grâce au circuit absorbeur 29;
- montage réalisé de telle façon que la modification des capacités réparties, par l'introduction du détecteur 1 par exemple, est minime et né- gligeable; - possibilité de mesurer la capacité du détecteur 1 pour toutes les valeurs de la caractéristique de ce détecteur, en faisant varier le po- tentiomètre 24.
Dans l'exemple de réalisation qui a été décrit ci-dessus, on a sup- posé que la capacité à mesurer était celle du détecteur, semi-conducteur, 1.
Il est toutefois évident que l'on pourrait mesurer toutes autres capacités de l'ordre de grandeur prévu par appareil, cet ordre de grandeur étant, comme on l'a indiqué précédemment de 10 picofarads à 1/100e de picofarad, qu'il s'agisse d'une capacité pure ou d'une capacité amortie par une résistance fai- ble (cas du semi-conducteur par exemple).
Dans ce dernier cas, la sensibilité du capacimètre, objet de l'in- vention, est encore bonne à environ 3/100e de picofarad.
Bien entendu, dans le cas où on mesure une-capacité pure ; le dis- positif de polarisation devient inopérant. Ceci permet même de se rendre comp- te si l'on se trouve en présence d'une capacité réellement pure, car, dans ce cas, on n'a aucune déviation dans aucun.des appareils de mesure 26 et 28 lors- qu'on fait varier le potentiomètre 24.
REVENDICATIONS.
1 - Appareil de mesure des capacités électriques faibles caractéri- sé par le fait qu'il comporte un circuit d'entrée, un circuit de mesure compre- nant la capacité à mesurer et accordé sur la fréquence d'entrée précitée, un oscillateur local et un circuit mélangeur de la fréquence d'entrée et de la fréquence oscillatrice locale.