Czas stabilizacji
Czas stabilizacji układu jest szczególnie istotny przy wykonywaniu pomiarów wysokich rezystancji. Na czas ten wpływa pojemność bocznikująca (ang. shunt capacitance), która zależy od zastosowanego kabla, przyrządów pomiarowych oraz samego mierzonego urządzenia czy materiału. Jak pokazane jest na rysunku 18, pojemność bocznikująca (CSHUNT) musi zostać naładowana do napięcia pomiarowego prądem IS. Czas konieczny do tego naładowania jest wyznaczony przez stałą RC (jedna stała, ?=RSCSHUNT), co skutkuje znaną krzywą eksponencjalną, widoczną na rysunku 19. Aby otrzymać dokładny odczyt, trzeba czekać cztery lub pięć stałych czasowych. Gdy mierzymy bardzo wysokie rezystancje, czas stabilizacji wyniku może sięgać minut, zależnie od wielkości pojemności bocznikującej układu pomiarowego. Dla przykładu, jeśli CSHUNT wynosi 10 pF, a mierzona jest rezystancja 1 T?, stała czasu wyniesie 10 sekund, więc aby odczytać wynik stanowiący 99% wartości faktycznej trzeba poczekać 50 sekund.
Aby zminimalizować czasy stabilizacji przy pomiarach wysokich rezystancji, trzeba utrzymywać rezystancję bocznikującą na poziomie absolutnego możliwego minimum poprzez stosowanie jak najkrótszych doprowadzeń. Aby znacznie zredukować czas stabilizacji można używać także guardingu. Warto też pamiętać, że metoda stałego napięcia jest generalnie szybsza, właśnie z powodu zredukowanych czasów stabilizacji.
Rys. 18.
Rys. 19.
Przykład 1: pomiar prądu wstecznego fotodiody lawinowej
Fotodioda lawinowa (ang. avalanche photodiode, APD) bardzo czuła i szybka fotodioda, posiadająca wewnętrzny mechanizm wzmocnienia uruchamiany przy polaryzacji wstecznej. Wewnątrz zachodzi powielanie prądu przypominające reakcję łańcuchową, a wzmocnienie APD można kontrolować zmieniając amplitudę podanego napięcia – większe napięcie skutkuje większym wzmocnieniem. Fotodiody lawinowe są używane w wielu zastosowaniach wymagających wysokiej czułości na światło, takich jak: komunikacja światłowodowa czy detektory scyntylacyjne.
Pomiar prądu wstecznego fotodiody lawinowej wymaga przyrządu potrafiącego mierzyć prąd w szerokim zakresie oraz przemiatać napięcie podawane na mierzony element (ang. voltage sweep). Takie wymagania doskonale spełniają np. pikoamperomierz ze źródłem napięcia (ang. Picoammeter/Voltage Source) model 6487 oraz subfemtoamperomierz ze źródłem pomiarowym ze zdalnym przedwzmacniaczem (ang. Sub-Femtoamp Remote SourceMeter) model 6430 firmy Keithley.
Rysunek 20 przedstawia model 6430 podłączony do fotodiody umieszczonej w ekranowanej, zaciemnionej obudowie. Aby ochronić delikatny pomiar prądu przez zakłóceniami elektrostatycznymi, należy podłączyć obudowę do złącza niskiego potencjału przyrządu (LO).
Na rysunku 21 przedstawiony jest przebieg prądu w funkcji przemiatanego napięcia polaryzującego fotodiodę lawinową z arsenku galu (GaAs), generowanego przez femotoamperomierz 6430. Warto zwrócić uwagę na szeroki zakres mierzonych prądów. Bardziej wyraźny obszar lawinowy można uzyskać dopuszczając więcej światła. Przyłożenie dużego napięcia (napięcie przebicia) powoduje, że prąd przepływa swobodnie, jako że pary elektron-dziura powstają bez udziału fotonów padających na złącze, normalnie koniecznych do generacji prądu.
Rys. 21. Prąd w funkcji napięcia polaryzacji wstecznej dla fotodiody lawinowej z arsenku galu
Przykład 2: pomiar współczynnika napięciowego rezystorów o bardzo wysokiej rezystancji
Rezystory o bardzo wysokiej rezystancji (ang. high ohmic value resistors) mogą reagować znacznymi zmianami rezystancji przy zmianie odłożonego na nich napięcia, co opisywane jest za pomocą tzw. współczynnika napięciowego rezystancji. Współczynnik ten wyraża procentową zmianę rezystancji na jednostkową zmianę napięcia i jest zdefiniowany następująco:
Można też wyrazić go w ppm (parts-per-million):
gdzie R1 to rezystancja zmierzona przy pierwszym napięciu, R2 to rezystancja zmierzona przy drugim napięciu, a V2>V1.
Typowy współczynnik napięciowy rezystora 10 G? może wynosić ok. 0,008%/V czyli 80ppm/V. W związku z tym, jeśli w obwodzie pomiarowym wymagana jest wysoka rezystancja, w analizie błędu pomiarowego, oprócz błędów wynikających w efektów termicznych i czasu pomiaru, trzeba wziąć pod uwagę także błąd spowodowany współczynnikiem napięciowym użytego rezystora.
Rys. 22. Sposób podłączenia elektrometru Keithley 6517B do pomiaru współczynnika napięciowego rezystancji
Użycie elektrometru 6517B do pomiaru współczynnika napięciowego
Pomiar współczynnika napięciowego wysokiej rezystancji wymaga dostarczenia napięcia oraz pomiarów małych prądów. Elektrometr Keithley model 6517B ma wbudowaną sekwencję pomiarową do określania współczynnika napięciowego rezystancji, więc świetnie nadaje się do takiego pomiaru. Automatyczne określanie współczynnika polega na pomiarze rezystancji dla dwóch różnych napięć, przeliczeniu wartości i wyświetleniu procentowej zmiany rezystancji na wolt.
Rysunek 22 przedstawia typowy układ do pomiaru współczynnika napięciowego przy użyciu elektrometru 6517B. Aby zminimalizować zakłócenia i rezystancje upływu, rezystor powinien być umieszczony w ekranowanej (pasywnie i aktywnie) obudowie. Należy połączyć ekran pasywny obudowy z gniazdem LO elektrometru, a gniazdo to z kolei z gniazdem LO źródła napięcia. Wyprowadzenia rezystora należy podłączyć do gniazd HI elektrometru i źródła napięcia.
Rezystancja jest najpierw mierzona przy napięciu V1, dając wynik R1, a następnie przy napięciu V2, dając wynik R2. Współczynnik napięciowy jest następnie wyliczany z podanego wcześniej równania.
Na podstawie materiałów firmy Keithley opracował Dominik Maj.
