Измеритель электрофизических параметров мдп-структур

Измеритель электрофизических параметров мдп-структур

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЩП-CTPУKTУP, содержавши опорный конденсатор, операционный усилитель, шины для подключения измеряемого объекта, блок управ- . Ленин, первый выход которого соединен с входом источника опорного напряжения , а,второй выход - с входом программируемого источника смещения, выход которого соединен с горизонтальным входом самописца, вертикальный вход которого соединен с выходом коммутатора , первый вход которого соединен , с управляющим входом первого управляемого делителя напряжения, отлич ающийся тем, что, с целью повышения точности измерения в него введены разделительный конденсатор, источник управляюй ёго напряжения, первый и второй пиковые детекторы, второй управляемый делитель напря кения, блок измерения установившегося значения напряжения, блок сравнения, фи.пьтр нижних частот , причем выход источника опорного напряжения соединен через первый управляемый делитель напряжения с первым входом вычитателя напряжений/ а через опорный конденсатор - с входом операционного усилителя и neji .вой шиной для подключения измеряв6 объекта, вторая шина для rtoдключения измеряемого объекта соединена с выходом программируемого источника смещения и через разделительный конденсатор - с выходом операционного усилителя и вторым входом вычитателя напряжений, выход которого соединен с входом первого пикового детектора, второго управляемого делителя напряжения , нуль-органа и блока измерения постоянной времени, выход второго управляемого делителя напряжения соединён с входами блока измерения установившегося значения напряжения и второго пикового детектора, выход блока измерения установившегося знаi чения; напряжения соединен с первым : входом блока сравнения, второй вход (Л которого соединен с выходом источника опорного напряжения/ а выход соп . единен с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения, ;выход второгС- пикового детектора че- С фез ключ соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, выход нуль-органа соединен с регую лирующим входом источника управляOb ющего напряжения, выход которого соедийен с управляющим входом перо со ел вого управляемого делителя напряжения , третий выход блока управления соединен с управляющим входом источника управляющего напряжения, четвертый выход блока управления соединен с управляквдими входами первого и йторого пиковых детекторов, а выход блока управления соединен с управляющим входом блока измерения установившегося значения напряжения , выход блока измерения достояйной времени соединен с (управляющим входом ключа,выход первого пикового детектора соединен с третьим, входом коммутатора.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(59 01 R 31 26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Л

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

{ 21) 341 31 39/18-21

{221 29.03.82 (46) 30.06.83. Бюл. Р 24

{72) IO.C.Ãàåâñêèé, А.И.Мартяшин, A.Â.Câeòëîâ, Б.В.Пыпин и В.N.×àéковский (711 Пензенский политехнический институт (53I 621.382.2(088.8) (561 1. Авторское свидетельство СССР

Р 763821, кл G 01 R 31/26, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 905885, кл, G 01 R 31/26, 1980 (54) (57) ИЗМЕРИТЕЛЬ .ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ IIAPAMETPOB NJlII-СТРУКТУР, содержащий опорный конденсатор, операционный усилитель, шины для подключения измеряемого объекта, блок управ- . ления, первый выход которого соединен с входом источника опорного напряжения, а.второй выход — с входом программируемого источника смещения, выход которого соединен с горизонтальным входом самописца, вертикальный вход .которого соединен с выходом коммутатора, первый вход которого соединен,с управляющим входом первого управляемого делителя напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены разделительный конденсатор, источник управляющего напряжения, первый и второй пиковые детекторй, второй управляемый делитель напряжения, блок измерения ус" тановившегося зйачения напряжения, блок сравнения, фильтр нижних частот, причем выход источника опорного напряжения соединен через первый управляемый делитель напряжения с первым входом вычитателя напряжений, а через опорный конденсатор - с входом операционного усилителя и пер.вой шиной для подключения измеряе„„SU„„1026095 A мого объекта, вторая шина для подключения измеряемого объекта соединена с выходом программируемого источника смещения и через разделительный конденсатор — с выходом операционного усилителя и вторым входом вычитателя напряжений, выход которого соединен с входом первого пикового детектора, второго управляемого делителя напряжения„нуль-органа и блока измерения постоянной времени, выход второго управляемого делителя напряжения соединен с входами блока измерения установившегося значения напряжения и второго пикового детектора, выход блока измерения установившегося значения напряжения соединен с первым Я входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход со единен с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения,,выход второгс пикового детектора че- Я рез ключ соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого сое- У ® динен с вторым входом коммутатора, выход нуль-органа соединен с регулирующим входом источника управляющего напряжения, выход которого 430 соедийен с управляющим входом первого управляемого делителя напряже- .«аР ния, третий выход блока управления Я ) соединен с управляющим входом источника управляющего напряжения, четвертый выход блока управления соединен с управляющими входами первого и второго пиковых детекторов, а пятый выход блока управления соединен с управляющим входом блока измерения установившегося значения напряжения, выход блока измерения постояйной времени соединен с управляющим входом ключа, выход первого пикового детектора соединен с третьим. входом коммутатора, ъ

1026095

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при построении приборов и систем контроля качества полупроводниковых структур, в частности, измерения емкостей диэлектрика и обедненного слоя полупроводника, а также постоянной времени . поверхностных состояний МДП-структур в зависимости от приложенного напряжения смещения. 10

Известно устройство, в котором осуществляется раздельное измерение емкости исследуемой МДП-структуры и активной проводимости утечки в широком динамическом диапазоне изменения 15 параметров исследуемого объекта (1) .

Недостаток известного устройства состоит в невысокой точности измерения реальных параметров МДП-структур из-за использования неточной схемы замещения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для. измерения электрофизических параметров МДП-структур содержащее блок управления, источ25 ник опорного напряжения, первый сумматор, исследуемый объект, операционный усилитель, образцовый конденсатор, управляемый делитель напряжения, первый ключ, второй сумматор, второй .ключ, запоминающий блок, нуль-орган, программируемый источник смещения, инвертор, регулируемое сопротивление, первый, второй и третий дополнительные ключи, дополнительный 35 запоминающий блок, ключ, вычитатель напряжений,блокиэмерения постоянной времени, .схему деления напряжений, коммутатор, самописец, вертикальный вход которого соединен с выходом ком-40 мутатора, первый вход которого соеди нен с управляющим входом управляемого делителя напряжения, первый выход блока управления соединен с входом источника опорного напряжения а вто- 45 рой — с входом программируемого источника смещения, выход которого соединен с горизонтальным входом самописца.

Устройство обладает широкими функциональными воэможностями, позволяя получать информацию обо всех параметрах четырехэлементной схемы замещения МДП-структуры (2) .

Указанное устройство имеет в своем составе контур с положительной 55 обратной связью, что приводит к снижении устойчивости и стабильности работы устройства и, как следствие, к низкой точности измерений.

Цель изобретения — повышение точ- 0 ности измерения электрофизических параметров МДП-структур..

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель электрофиэических параметров МДП-структур, содержащий 65 опорный конденсатор, операционный усилитель, шины для подключения измеряемого объекта, блок управления

I первый выход которого соединен с входом источника опорного напряжения, а второй — с входом программируемого источника смещения, выход которого соединен с горизонтальным входом самописца, вертикальный вход которого соединен с выходом коммутатора, первый вход которого соединен с управляющим входом первого управляемого делителя напряжения, введены разделительный конденсатор, источник управляющего напряжения, первый и второй пиковые детекторы, второй управляемый делитель напряжения, блок измерения установившегося значения напряжения, блок сравнения фильтр нижних частот, причем выход источника опорного напряжения соединен через первый управляемый делитель напряжения с первым входом вычитателя напряжений, -а через опорный конденсатор — с входом операционного усилителя и первой шиной для подключения измеряемого объекта, вторая шина для подключения измеряемого объекта соединена с выходом программируемого источника смещения и через разделительный конденсатор — с выходом операционного усилителя и вторым входом вычитателя напряжений, выход которого соединен с входами первого пикового детектора, второго управляемого делителя напряжения, нуль-органа и блока измерения постоянной времени, выход второго управляемого делителя напряжения соединен с входами блока измерения установившегося значения напряжения и второго пикового детектора, выход блока измерения установившегося значения напряжения соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход соединен с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения, выход второго пикового детектора через ключ соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, выход нуль-органа соединен с регулирующим входом источника управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим. входом первого управляемого делителя напряжения, третий выход блока управления соединен с управляющим входом .источника управлящющего напряжения, четвертый выход блока .управления соединен с управляющими входами первого и второго пиковых детекторов, а пятый выход блока управления соединен с управляющим входом блока измерения установившегося значения напряжения, выход блока измерения постоянной .времени соединен с уnpas

1026095 ляющим входом .ключа, выход первого пикового детектора соединен с третьим входом коммутатора.

На чертеже изображена структурная схема устройства.

Измеритель электрофизических па- 5 раметров МДП-структур, содержит блок

1 управления, источник 2 опорного напряжения, опорный конденсатор 3,, операционный усилитель 4, исследуемый объект 5, программируеж и источ- 10 ник б смещения, разделительный конденсатор 7, первь-:й вычитатель 8 напряжений, первый управляемый делитель 9 напряжения, источник 10 управляющего напряжения, нуль-орган

1l первый пиковый детектор 12, второй управляемый делитель 13 напряжения, блок 14 измерения постоянной времени, блок 15 измерения установившегося значения напряжения, второй пиковый детектор 16, блок 17, сравнения, ключ 18, фильтр 19 нижних частот, коммутатор 20 и самописец 21.

Выход источника 2 опорного напряжения соединен с входом первого ун- 25 равляемого делителя 9 напряжения,и через опорный конденсатор 3 — с входом операционного усилителя 4 и одной иэ шин для подключения измеряемого объекта 5. Другая шина соединена с выходом программируемого источника б смещения, а через разделительный конденсатор 7 — с выходом операционного усилителя 4 и первым входом первого вычитателя 8 напряжений. Второй его вход подключен к выходу первого управляемого делителя 9 напряжения, Выход первого вычитателя 8 напряжений соединен с, входами первого пикового детектора

12, второго управляемого делителя 13 40 напряжения, нуль-органа 11 и блока

14 измерения постоянной времени. Выход второго управляемого делителя 13 напряжения связан с входами блока

15 измерения установившегося эначе- 45 ния напряжения и второго пикового детектора.16. Выход блока 15 измерения установившего значения напряжения соединен с первым входом блока 17 сравнения, второй вход которого 50 подключен к выходу источника 2 опорного напряжения, а выход связан с управляющим входом второго управляемого делителя 13 напряжения. Выход

3торого пикового детектора .16 через ключ 18 соединен с входом фильтра 19 нижних частот. Управляющий вход ключа

18 подключен к выходу блока 14 измерения постоянной времени. Выход нуль. органа 11 через источник 10 управляющего напряжения соединен с управ- 60 ляющим входом первого управляемого делителя 9 напряжения. Управляющие входы источника 2 опорного напряжения, программируемого источника б смещения, источника 10 управляющего напряжения, первого и второго пиковых детекторов 12 и 16, блока 15 измерения установившегося значения напряжения соединены с соответствующими выходами блока 1 управления.

Выходы источника 10 управляющего напряжения, первого. пикового детектора 12 и фильтра 19 нижних частот соединены с соответствующими входами коммутатора 20. Выход последнего подключен к вертикальному входу самописца, горизонтальный вход которого связан с выходом программируемого источника б смещения.

Измеритель электрофизических параметров ЬЩП-структур работает следующим образом.

Источник 2 вырабатывает опорное (тестовое ) напряжение в виде двухполярных прямоугольных импульсов амплитудой Å»,. Выходное напряжение операционного усилителя 4 при этом в течение одного полупериода напряжения равно

С + С> Cia C

Го о ъ» сСо С С Я ЕоСо

С С Я о,, = — 1;Е

С»С3

> — е . + где Cp — емкость опорного конденсатора. 3

С» — емкость диэлектрика МДПструктуры

C — емкость обедненного слоя полупроводника

С и к — емкость и сопротивление, связанные с поверхностными состояниями и зависящие от поверхностного потенциала.

В течение другого полупериода опорного напряжения выходное напряжение операционного усилителя Llz будет иметь противоположный знак.

Выходное напряжение первого управляемого делителя 9 равно

yp»»» »D»»» где К н» вЂ” коэффициент передачи первого управляемого делителя 9

Напряжение на выходе вычитателя

8 равно

1 С2» С С » С

Е С ц»ц О 0 С?С»Й Е С,р С С» R

В»»» + — е . +

С + С с

Ео<о б L- -ЕОКЮн.

»

По команде блока 1 программируемый источник 6 подает на исследуемую МДП-структуру такое напряжение смещения, которое вводит ИДП-структуру в режим сильного"обогащения. (Это напряжение должно быть положительным для структуры и -типа и отрицательным для структуры р-типа), 1026095

В режиме обогащенйя емкость С обедненного слоя полупроводника настолько велика, что емкость МДПструктуры практически равна емкости диэлектрика.

Следовательно, в режиме обогащения C> >) С», а напряжение на выходе операционного усилителя 4 равно:

Еосо

"ОЧ= С, Выходное напряжение вычитателя 8 при этом равно

ЕоСо

"Вн» С - EokYDH»

1

По команде блока 1 источник 10 подает на управляющий вход первого управляемого делителя 9 управляющее напряжение, медленно изменяющееся по величине до тех пор, пока нульорган 11, включенный на выходе вычи- 20 талеля 8, не зафиксирует нулевое значение напряжения USH». Это произойдет при Кч

Со чан»

По команде нуль-органа 11 источник 10 прекратит изменение своего выходного напряжения и зафиксирует его на уровне, при котором

"YOu» = Co

В дальнейшем до конца цикла измерения параметров МДП-структуры выход-З0 ное напряжение источника 10 остает ся неизменным. Это напряжение, пропорциональное коэффициенту передачи

К„ н, = Cp/С», подается через коммутатор 20 на самописец 21.

Далее по команде блока 1 программируемый источник 6 выводит исследуемую МДП-структуру"из режима обогащения, подводя к ней медленно изменяющееся напряжение смещения другой по" 40 лярности.

Поскольку значение емкости диэлектрика С » практически не зависит от приложенного напряжения смещения, выходное напряжение вычитателя 8 - 45 равно где К„.-„ - коэффициент передачи управляемого делителя

13, подается на входы блока 15 и второго пикового детектора 16.

Выходное напряжение блока 15

Е,р С,>

0 = К

SMY3H С, С, YDHL подается на один из входов блока 17 сравнения,,на другой вход которого поступает напряжение Ео.

Выходное напряжение блока 17. (сигнал рассогласования ) изменяет коэф, фициент передачи второго управляемого делителя 13 до тех пор, пока напряжение на выходе блока 17 не станет равным нулю.

При этом )

С, С, —.

Са».СЗ.е 4 «--х сд

C,»C3Å С

УОНИП, Со С +С3

С св с1свк ЕО(с".iс3)

1-е с>

Ci+ C3 ф с св R

«е

3 С3

Первый пиковый детектор 12 выделяет экстремальное (за полупериод опорного сигнала} значение этого напряEоСо 55

С

Ъ .Выходное напряжение первого пикового детектора, пропорциональное

1/Сg, через коммутатор 20 подается на самописец 21. 60

Выходное напряжение второго управляеомго делителя 13

= 0 „. К Ч „1,) E С

c„

c,ñR EС вн с»с

Выходное напряжение второго пико, вого детектора 16 !

Eî,(C » C3) и пот подается через ключ 18 на фильтр 19, Влок 14 формирует на своем выходе импульс длительностью, равной постоянной времени экспоненциально. изменяющегося напряжения на выходе вы- читателя 8, На время действия этого импульса открывается ключ 18. При этом на выходе ключа 18 формируются прямоугольные импульсы амплитудой Е (С + о S

+ С 3) /С 3 и длительностью Ь, =

С С3 R/ (С < + Ch) .

Вольт-секундная площадь такого импульса 5 кв = ЕоС Р

Выходное напряжение фильтра нижних частот, пропорциональное б

Kh б подается через коммутатор 20 на с амописец 21.

Таким образом, осуществляется измерение основных электрофизических параметров МДП-структуры (1 С )

1/С 3, ь = R С ) в зависимости от приложенного напряжения смещения. При этом в предлагаемом устройстве устранены недостатки устройства-прототипа, обусловленные наличием петли положительной обратной связи, за счет чего повышается точность измерения.

102б095

Составитель В. Карпов редактор Н. Безродная Техред Л. Пекарь КорректорА. Ильин

»Ю

Яаказ 4553/ЗВ . Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 оилиал IIIIII "патент", r. Ужгород, ул. проектная, 4