Appareil de mesure de capacités électriques.
Lorsqu'on veut procéder à certaines recherches, spécialement à celles qui visent la réalisation et l'emploi de corps semi-conducteurs, il est indispensable d'avoir recours à des mesures très précises de capacité. Par exemple, il est intéressant de mesurer d'une façon précise la capacité des organes semiconducteurs, car on peut tirer d'une telle détermination des conclusions fort utiles sur la densité A des points d'impuretés ou portions perturbatrices d'un semi-conducteur.
En effet, selon W. Schottky, cf. Théorie étendue et simplifiée des redresseurs à couche limite (Zeitschrift f. Physik, volume 118, p. 539, 1941/42), A est lié à la capacité de la couche d'arrêt par la relation suivante:
d(llC2) =8,
dU Ex flA formule dans laquelle
E = constante diélectrique ou pouvoir in
ducteur spécifique
r = tension en voit
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 capa- cités entre les points, correspondant à divers potentiels, des courbes caractéristiques di reste et inverse exprimant l'asymétrie d'un semi-conducteur.
Autrement dit, il faut pouvoir mesurer des capacités de l'ordre de 0,1 picofarad (pF) amorties par des résistances faibles, ce que ne permettent pas les capacimètres actuellement connus. Ceux-ci utilisent généralement des ponts de mesure (pont de Wheatstone ou autres) qui ont l'inconvénient de ne fonctionner généralement qu'aux fréquences relativement basses et de ne permettre aucune mesure précise 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 veut arriver à mesurer des capa- cités plus faibles, on est obligé d'avoir recours à des appareils compliqués, d'un prix très élevé et d'un maniement délicat.
La présente invention, due aux travaux de MM. llerbert-François Matare, Georges
Calon et Pierre Philippoteaux, a pour objet un appareil de mesure de capacités électriques de valeurs inférieures à 10 pF; caractérisé par un circuit de mesure comprenant un premier dispositif de mesure et dans lequel circuit la capacité à mesurer est destinée à être insérée, ce circuit de mesure étant couplé à un circuit d'entrée haute frequence et accordé sur la fréquence du circuit d'entrée, par un oscillateur local et un circuit pour mélanger la haute fréquence d'entrée et la fréquence de cet oscillateur local, circuit mélangeur comportant une lampe penthode dont la pla que, la grille écran et la grille d'arrêt sont connectées à l'oscillateur local précité, suivant un montage trois points,
dont la grille de commande est couplée avec le circuit de mesure précité et dont la cathode est connectée à un circuit moyenne fréquence comprenant un second dispositif de mesure.
La figure unique du dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de la présente invention.
La capacité à mesurer est celle d'un semiconducteur 1 monté 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/looo par exemple et initialement calibré à partir d'une capacité étalon. Ce circuit de mesure est cou- plé, d'un côté, avec un circuit d'entrée 4 d'une fréquence élevée, de l'ordre de 60 Me/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 commande 7 d'une penthode mélangeuse 8 dont la partie au-delà de la grille 7 travaille en oscillateur local.
Cet oscillateur local 9 est connecté à la plaque 10, -à la grille écran 11 et à la grille d'arrêt 12 de la penthode suivant le montage connu sous le nom de montage trois points , une self 13 étant disposée entre le point commun et la masse, en même temps que la résistance 14 et les condensateurs 15 habituels.
La cathode 16 de la penthode est connectée à un circuit moyenne fréquence 17 dont le condensateur ajustable 18 peut être adapté une fois pour toutes pour la bande passante moyenne fréquence, cette moyenne fréquence arrivant par un fil blindé 19 à un amplificateur 20 (à trois étages par exemple) repré sente d'une fagon très schématique sur l:e dessin, suivi d'un organe détecteur 21, par exemple une diode, dont le courant redressé est mesuré par un microampèremètre 22.
Le semi-conducteur dont on veut mesurer a capacité est mis capacitivement 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 un filtre 27. Un voltmètre 28 est disposé en parallèle entre la partie du potentiomètre et la masse.
Enfin, un circuit absorbeur ou circuit bou chon 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 local sur le semi-conducteur 1 dont on veut mesurer la capacité.
Pour se servir de l'appareil qui vient d'être décrit ci-dessus, on procède de la façon suivante:
on met d'abord le semi-conducteur 1 en place (après s'être assuré toutefois de son bon 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 montage trois points , ainsi que l'am plificateur moyenne fréquence 20;
on accorde le circuit absorbeur 29 sur la fréquence de l'oscillateur local, de manière à amener à une valeur minima le courant redressé par le semi-conducteur 1, ce qu'on constate au moyen du milliampèremètre 26;
on branche ensuite la haute fréquence, par exemple par le circuit d'entrée 4, et on l'ac- corde au moyen du condensateur 6, de telle façon que le mélange avec la fréquence oscillatrice locale donne la moyenne fréquence jusqu'à ce que le microampèremètre 22 indique une élongation maximum;
on enlève alors le semi-conducteur 1 et on aeeorde le circuit de mesure 2-3 sur la même résonance que le circuit mélangeur, de façon à obtenir la déviation maximum au mi croampèremètre 22, e'est-à-dire de façon à obtenir le point de référence pour la capacité à mesurer;
on remet ensuite le semi-conducteur en place, ce qui provoque un désaccord du circuit de mesure 23 par la capacité du semiconducteur 1 ainsi mis en parallèle, et on fait varier le potentiomètre 24 de façon à se pla cer 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 microamperemètre 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 capacité 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'appareil effectué sur des haute et moyenne fréquences déterminées et là ca pacité à mesurer 1 mise en place, que la seule manoeuvre à effectuer pour mesurer cette ca pacité est de faire varier le condensateur 3 et de lire sur le eadran 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 appareil de construction extrêmement simple et que, en outre, son maniement est des plus faciles.
Bien entendu, le montage des embouts fixant le semi-conducteur 1 Idoit être tel que la capacité desdits embouts par rapport à la masse soit tout à fait négligeable vis-à-vis de la capacité du semi-conductéur nu et aussi de façon 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 23 très pointu (c'esta-dire avec coefficient de surtension Q élevé), ce qui facilite beaucoup la lecture de la eapacité 3;
fréquence très élevée, de l'ordre de 60 Me/s donnant une capacité 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 haute fréquence aux bornes du détecteur soit minime, ce qui est obtenu grâce au prient cipe du mélange;
aucune gêne provoquée par la tension provenant de l'oseillateur local qui est évidemment plus élevée que celle du signal, ceci grâce au circuit absorbeur 29;
montage réalisé de telle façon que la mo dification des capacités réparties, par l'introz duction du semi-conducteur 1 par exemple, est minime et négligeable;
possibilité de mesurer la capacité du semiconducteur 1 pour toutes les valeurs de la ca ractéristique de ce détecteur, en : faisant varier le potentiomètre 24.
Dans l'exemple décrit ci-dessus, on a supposé que la capacité à mesurer était celle du semi-conducteur I. Il est toutefois évident que l'on pourrait mesurer toute autre capacité de l'ordre de grandeur prévu par l'appareil, cet ordre de grandeur étant, comme on l'a indiqué précédemment, de 10 pF à zoo de pF, qu'il s'agisse d'une capacité pure ou d'une capacité amortie par une résistance faible (cas du semi-conducteur par exemple).
Dans ce dernier cas, la sensibilité de l'appareil est encore bonne à environ 3/toto de pF.
Bien entendu, dans le cas où on mesure une capacité pure, le dispositif de polarisation devient inopérant. Ceci permet même de se rendre compte 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 lorsqu'on fait varier le potentiomètre 24.
L'appareil de mesure décrit ci-dessus est simple et ne nécessite, après que les ajustements de base ont été effectués, que la ma oeuvre d'un seul organe en vue de mesurer la capacité pour le point de la caractéristique considéré. Il permet de mesurer des capacités de l'ordre de 10 pF à igloo de pF.