Устройство для измерения с-g-v характеристик мдп-структур

Устройство для измерения с-g-v характеристик мдп-структур

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (»)!000946 (6l ) Дополнительное к аит. саид-ву— (22) Заявлено 08. 10.81 (2() 3345080/18-21 с присоединением заявки М— (23) Приоритет—

Опубликовано 28.02.83. Бюллетень № 8 (51)М. Кл.

C 01 К 31/2

Гесудерстееювй камктет

СССР (53) УДК 621,382.. 3 (088. 8) лв делам лзеаретеккк и еткрытик

Йата опубликования описания 8.02.83

1.

Ю. С. Гаевский, А. И. Мартяшин, A. B. С ветлдв, B. М. Чайковский и Б. В. Быпин .1

Ь (72) Авторы изобретения

Пензенский политехнический институт (7l ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ С-С1-v

ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СТРУКТУР

Изобретение огносигся к контрольноизмерительной технике и можег быть использовано цля осушествления контроля качества полупровоцниковых структур, например МДП-структур, в процессе их

5 производства.

Известно устройство, в котором осушесгвляегся разцельное изменение емкости исследуемой МДП-структуры и активной- проводимости утечки в широком цинамическом циапазоне изменения параметров исслецуемого объекта fl) Недостаток этого устройства» невысокая точность измерения реальных параметров МДП-ч:труктур из-за использования неточной схемы замешения.

Наиболее близким к прецлагаемому является устройство цля измерения элек щ трофизических параметров МДП-структур, содержашее блок управления, источник опорного напряжения, первый сумматор, исследуемый обьекг, операционный усили2 тель, образцовый конценса гор, управляемый целитель напряжения, первый ключ, второй сумматор, второй ключ, запоминак> ший блок, нуль-орган, программируемый источник смешения, инвертор, регулируемое сопротивление, первый, второй и третий цополнительные ключи, цополнигельный запоминающий блок, ключ, вычига. тель напряжений, блок измерения постоянной времени, схему деления напряжений, коммутатор и самописец (21

Известное устройство характеризуется недостаточной точностью измерения.

Кроме того, оно имеет в своем составе контур с положительной обратной связью (контур компенсации влияния емкости циэлектрика Cl), что приводит к снижению устойчивости и стабильности его работы. Действие положигельнои обратъной связи приводит к усилению неравно« мерносгей амплитудно-частогной характеристики устройсгва, а меняюнпн ся в про-. цессе работы временные задержки сигнала, в контуре обратной спязн «ызывают

3 1000 изменение крутизны фронтов импульсных сигналов, что огражаегся на точносги измерения параметра С, определяемого по мгновенному значению напряжения на выхоце операционного усилителя при помо- щи ключа. Остальные параметры МДПструктуры также изменяются с большой погрешностью, поскольку они определяюгся с учетом измеренного значения С, Все указанные факторы привоцят к 10 снижению точности измерения параметров

М ДП-струк ту р.

Цель изобретения — повышение точности измерения С - - V характеристик

N ДП-ст рукту р. t5

Поставленная цепь достигается тем, что в устройство цля измерения С характеристик МДП-структур, соцержащее блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом источника опорного напряжения, второй выхоц подключен к управляющему вхоцу программируемого источника смешения, выход которого поцключен к первому входу самописца и первой клемме цля подключения 25 исслецуемого объекта, вторая клемма которого соединена с вхоцом операционного усилителя и оцной из обкладок опорного конденсатора, вторая обкладка которого поцкл1очена к выхоцу источника опорного щ напряжения и входу целителя, выхрд которого подключен к первому входу вычигателя напряжений, второй вход когорого соединен с выходом операционного усилителя, измеритель постоянной времени, вход которого соецинен с входом нуль, органа, а выход — с вхоцом ключа, а также коммутагор, выход когорого подключен к второму входу самописца, введены разцелигельный конденсатор, источник управляющего напряжения, второй делитель напрюкения, первый и вгорой пиковые детекторы, блок измерения напряжения„ дополнительный вычигатель напряжений,„блок сравнения и фильтр нижних д частот, причем первая обкладка разделительного конценсагора соединена с первой клеммой для подключения исспецуемого объекта, а вторая - с выходом операционного усилителя, выхоц вычитателя Ю напряжений соецинен с вхоцами первого пикового детектора, вгорого целителя, наприкения, нуль-орган и блока измерения постоянной времени, выхоц первого пикового детектора соединен с первым вхоцом >> блока сравнения и первым входом коммутатора, выход второго целителя напряжения соецинен с вхоцами второго пикового

4 детектора и блока измерения напряжения, управляющий вход которого соединен с третьим выхоцом блока управления, а выход — с вторым входом коммутатора и первым вхоцом вгорого вьтчигагеля напряжений, второй вход которого подключен к выхоцу второго пикового детектора, управляющему входу ключа, выхоц которого через фильтр нижних частот соецинен с трегьим входом коммутатора, управляющий ахоп вгорого пикового цетектора подключен к входу первого пикового цетекгора и четвертому выходу блока управления, пятый выход которого соединен с первъ м входом источника управляющего напряжения, второй ахоп когорого подклю-. чен к въгхоцу нуль-органа, а выход соединен с входом первого целителя и четвертым вхоцом коммутатора, выход дополнительного вычигателя напряжений подключен к второму входу блока сравнения, eamon которого соединен с управляющим входом второго целителя.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержиг блок 1 управления, источник 2 опорного напряжения, опорный кон д енса го р 3, операционный усилитель 4, исследуемый объект К5, программируемый исгочник 6 смешения, разделительный конденсатор 7, вычитагель

8 напряжений, первый управляемый делитель 9 напряжения, источник 10 управляющего напряжения, нуль-орган 11, первый пиковый детектор 12, второй. управляемый делитель 13 напряжения, блок

14 измерения постоянной времени, второй пиковый детектор 15, блок 16 измерения установившегося значения напряжения, дополнительный вычитагель 17, HGnpRжений, сравнивающее устройство 18, ключ 19, фильтр 20 нижних частот, коммутатор 21 и самописец 22.

Управляющий вхоц источника 2 опорного напряжения подключен к одному иэ выходов блока 1 управления. Выход источника 2 опорного напряжения соединен через первый управляемый делитель 9 напряжения с первым вхоцом вьяитателя

8 напряжений, а через опорный конденса тор 3 - с входом операционного усилителя

4 и с одной клеммой исследуемого объек та B. Другая клемма исследуемого объекта 5 подключена к выхоцу программируе» мого источника 6 смещения, а через раэцелительный конценсатор 7 - к выхо ду операционного усилигеля 4 и второму вхоцу вычитагеля 8 напряжений, выхоц

1000 которого соецинен с входами первого пикового детектора 12, второго управляемого делителя 13 напряжения, нуль-органа ll и блока 14 измерения постоянной времени. Выход нуль-органа 11 через источник 10 управляющего напряжения подключен к управляющему вхоцу первого управляемого целителя 9 напряжения.

Выхоц второго управляемого делителя

13 напряжения соединен с входами второ-10 го пикового t,åòåêòîðà 15 и блока 16 измерения установившегося значения напряжения. Выход второго пикового цетектора 15 соединен с входом ключа 19и первым входом дополнительного вычитаге-1$ ля 17 напряжений, второй ахоп которого поцключен к выходу блока 16 измерения установившегося значения напряжения.

Bbrxog дополнительного вычитателя 17 напряжений соединен с первым вхоцом 10 сравнивающего устройства 18, второй вход которого соединен с выхоцом первого пикового детектора 12. Выхоц сравнивающего устройства 18 подключен к управляющему входу второго делителя напряже-" $ ний 13. Выход блока 14 измерения пос тоянной времени соецинен с управляющим з вхоцом ключа 19, выход которого поцключен к входу фильтра 20 нижних частот.

Управляющие входы источника 10 управля-30 ющего напряжения, первого и второго пиковых детекторов 12 и 15, блока 16

C1+ С3 С + С

Ep,Ño сэ к Epñp с с и Ерср

С c„ в режиме обогащения

EîÑо

По команце блока управления источник 10 управляющего напряжения поцает. на управляющий вхоц первого управляемо гце C() — емкость опорного конценсатора, У g0

С - емкость диэлектрика, C - емкость обедненного слоя полупроводника

QH R- емкость и сопротивление, связанные с поверхностными сос4$ тояниями и зависящие от поверхностного потенциала.

В течение цругого полупериоца это напряжение имеет противоположную поляр ность.

В режиме обогащения емкость С обе$0 дненного слоя полупровоцника настолько велика, что емкость МДП-структуры практически равна емкости циэлектрика.

Следовательно, в режиме обогащения при С эС напряжение на выхоце опера

$$ ционного усилителя 4

946 d измерения установившегося значения напряжения соецинены с соответствующими выходами блока 1 управления. Выходы источника 10 управляющего напряжения, первого пикового детектора 12, блока 16 измерения установившегося значения напряжения и фильтра 20 нижних частот соединены с соответствующими вхоцами коммугатора 21. Выхоц последнего подключен к сигнальному входу самописца

22, горизонтальный вход которого соединен с выходом программируемого источника 6 смешения.

Устройство работает слецуюшим образ ем.

По команде блока 1 управления программируемый истсчник 6 смещения по дает на исследуемую МДП-структуру

5 такое напряжение смешения, которое вводит МДП-структуру в режим сильного обогащения (это напряжение должно быть положительным цля структуры п «типа и отрицательным для структуры р -типа).

Источник 2 опорного напряжения вьърабатывает опорное (тестовое) напряжение в вице цвуполярных прямоугольных импульсов амплитудой k> . При этом в течение оцного из полупериоцов опорного напряжения выхоцное напряжение операционного усилителя 4 имеет виц

Выходное напряжение *первого управ» ляемого делителя 9 напряжения ygq = о yAg<

Напряжение на выходе вычитателя 8 напряжений в общем вице с,+с, (g) E0C() CgC R вв, с, с с E() Cp С Сэ .E C() 7 1000946 8 го делителя 9 напряжения управляющее Постоянное управляющее напряжение постоянное напряжение, медленно изменяю- на вхопе первого управляемого делителя шееся до .тех пор, пока нуль-орган 11 напряжений, пропорциональное значению не эаифксирует на выходе вычигателя его коэффициента передачи, через комму8 напряжений нулевое значение напряже- s тагор 21 лопается на самописец 22. ниязов „ Еос tC<-Q К О. Это про На протяжении всего цикла измерения о удн1 параметров исследуемого образца МДПизо пет при уд« структуры. значение k Y. Н не изменяеч и 4

I ся.

Далее по команде блока 1 управления

По команде У Ргана 11 источник программиру мый источник 6 смешения

10 управляющего напряжения прекращает выводит с исследуемую 1ДП-структуру изменение своего выходного напряжения из режима обогащения. При различных и фиксирует его на уровне, при. котором напряжениях смещения значение емкости диэлектрика С остается неизменным, Ку « = С,(С„, поэтому

С21 С3 С2 4 СЗ ,(С

1осо С2СЗR Е C 2СЗ

Ve«H) = -е +о о

С2,+ С сЗ!

Первый пиковый детектор 12 фиксирует 25 экстремальное (за полупериоп опорного сигнала) значение напряжения 0 ц„

1ю

Еосо пд с

30 когорое лопается на самописец 22 через коммутатор 21.

Выходное апряжение вычитателя 8 напряжениЯ масштабируется вторым управляемьм целителем 13 напряжения и по дается на входы второго пикового детек3S тора 15 и блока 16 измерения установив шегося значения напряжения.

Их BblogHbIe напряжения

EоСо

7ПА2= С уАН2

Это произойдет при

"УДнг Сз C2/С

Выхопное напряжение блока 16 изме« рения установившегося значения напряже-, ния

Еосо г.оСо

Ьичэн С л С чДн2 С

2 3 2 подаегся через коммутатор 21 на самописец 22. Выхопное напряжение второго пикового детектора 15

ЕоСо (С2С3р

Вяч3Н C2iC3 УДН ПP" подают=я íà входы дополнительного вычи, 4$ тателя 17 напряжений, выходное напряжение которого

С„С2

С3(С3 С2)

Е с Е,c„(c2+с,)

« о о пдг С у Н2 С С3 через ключ 19 поступаег íà фильтр 20 нижних частот.

Блок 14 измерения постоянной времени определяет постоянную времени экспонен» циально изменяющегося напряжения на вы .

xone вычитателя 8 напряжений, преобраЕосо пд с, Это напряжение сравнивается сравниваюшим устройством 18 с напряжением, сни маемым с выхопа первого пикового детекВ .тора 12

В случае неравенства напряжений

Ц g и U qD1 сигналом рассогласования с выхода сравнивающего устройства 18 изменяется коэффициент передачи второго управляемого делителя 13 напряжения по тех пор, пока не будет достигнуто равенство

Сос2 оСО

k чДнг о С2+Сз)С3 Ñ3

9 1000 зуя значение постоянной времени этого напряжения в длительность импульса

Выходное напряжение блока 14 измерения постоянной времени подается на управляющий вход ключа 19, огкрывая 16 его на время действии импульса Ь 1

На выходе ключа 19 формируюгся прямоугольные импульсы амплигудой V> и длительностью Дtg . Вольъ-секундная площадь этих импульсов 3$

ЕоСо(С +C,з) C C g пРЛ C+c

%CD

«ЕоСо °

Фильтр 20 нижних частот находит сред- нее значение напряжения на выходе ключа (пропорциональное б ). Выход фильтра

20 нижних частот через коммутатор 21 подключается к самописцу 22. 2$

Таким образом, на самописец выводятся постоянные напряжения, пропорциональные текущим значениям параметров всех элементов четырехэлементной схемы замещения МДП-сгруктуры (1/С;

При этом при смене режимов рабогы в схеме не производится никаких перекоммутаций, отсутствует петля обратной связи, что в конечном счете приводит к повышению точности измерения (. -5-V характеристик N llII-с:труктур.

Формула изобретения

Устройство для измерения С - - ( характеристик МЙП-структур, содержащее блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом источника опорного напряжения, вгорой выход 4s подключен к управляющему входу программируемого источника смешения, выход которого подключен к первому входу самонисца и первой клемме для подключения

HCcaeayeMoro объекта, вгорая клемма ко- у торого соединена с входом операционного усилителя и опной из обкладок опорного конденсатора, вторая обкладка которого подключена к.выходу источника опорного, напряжения и входу целителя, выход кото->> рого подключен к первому входу. вычита теля напряжений, вгорой вход которого соединен с выходом операционного усили946 10 тели измеритель постоянной времени, вход которого соединен с входом нуль-органа, а выход - с входом ключа, а также коммутатор, выход которого подключен к второму входу самописца, о т л и ч а юш е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены разцелительный конденсатор, источник управляющего напряжения, второй делитель напряжения, первый и вгорой пиковые детекторы, блок измерения напряжения, дополнительный вычитатель напряжений, блок сравнения и фильтр нижних частот, причем первая обкладка разделительного конденсатора соединена с первой клеммой для подключения исследуемого обьекта, а вгорая — с выходом .операционного усилителя, выход вычитателя напряжений соединен с входами первого пикового детектора, второго делителя напряжения, нуль-органа и блока измерения постоянной времени, выход первого пикового петекгора соединен с первым вхоном блока сравнения и первым входом коммутагора, выход второго целителя напряжения соединен с входами второго пико,вого дегектора и блока измерения напряжения, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока управления, а выхоп — с вторым входом коммутагора и первым входом вгорого вычитателя напряжений, второй вхоп которого подключен к выходу второго пикового дегекгора, управляющему входу ключа, выход которого через фильгр нижних частот соединен с третьим входом коммутатора, управляющий вход второго пикового пегектора подключен к входу первого пикового детектора и четвертому выходу блока управле. ния, пятый выход которого соединен с первым входом источника управляющего напряжения, второй ахоп которого подключен к выходу нуль-органа, а выход соединен с входом первого делигеля и чегвертым вхопом коммутатора, выход дополнительного вычитателя напряжений подключен к вгорому входу блока сравнения, выход которого соединен с управляющим входом второго делителя. Источники. информации, принягые во внимание при экспертизе

1. Авторское свипегельство. СССР

¹ 658508, кл. G 01 Д Зl/26, 25.04.79.

2. Авторское свипегельсгво по заявке № 2926071/18-21, кл. G 01%31/26, 20. 11.80 (прототип).

1000946 рщ щПр Заказ 1 378/48 Тираж 708 Подписное

Филиал ППП Патент, 1.. Ужгороа, ул. Проектная,4