Устройство для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниках

Устройство для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниках

Реферат

 

Устройство для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниках, содержащее формирователь инжектирующих импульсов, формирователь опорного напряжения, первый и второй резисторы, операционный усилитель с клеммами для подключения исследуемого полупроводника на входе и на выходе, первый и второй блоки выборки и хранения, масштабирующий преобразователь и генератор импульсов, первый выход которого соединен с входами формирователя инжектирующих импульсов и формирователя опорного напряжения, выходы которых через первый и второй резисторы соответственно подключены к первому входу операционного усилителя, второй вход которого подключен к общей шине, а выход операционного усилителя соединен с входом первого блока выборки и хранения, а второй и третий выходы генератора импульсов соединены соответственно с управляющими входами первого и второго блоков выборки и хранения соответственно, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно дополнительно снабжено ключом, источником постоянного напряжения, первым и вторым блоками суммирования напряжений, третьим блоком выборки и хранения, дифференциатором и блоком вычитания напряжений, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, второй вход соединен с выходом первого блока выборки и хранения, а выход блока вычитания напряжений соединен с аналоговым входом ключа, управляющий вход которого соединен с первым выходом генератора импульсов, а выход ключа соединен с первыми входами первого и второго блоков суммирования напряжений, причем выход источника постоянного напряжения подключен к второму входу первого блока суммирования напряжений, выход которого соединен с входом масштабирующего преобразователя, выход которого соединен с входами третьего блока выборки и хранения и дифференциатора, выход которого соединен с вторым входом второго блока суммирования напряжений, выход которого соединен с входом второго блока выборки и хранения, выход которого подключен к управляющему входу масштабирующего преобразователя, а управляющий вход третьего блока выборки и хранения подключен к второму выходу генератора импульсов.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения и контроля параметров полупроводниковых материалов. Цель изобретения повышение точности измерения за счет полного устранения воздействия компенсирующего напряжения на исследуемую полупроводниковую структуру путем осуществления компенсации экспоненциально изменяющейся составляющей напряжения не в самой измерительной схеме, а обработкой выходного сигнала измерительной схемы. На фиг. 1 показана структурная схема устройства; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу. Устройство содержит генератор импульсов 1, формирователь инжектирующих импульсов 2, формирователь опорного напряжения 3, первый резистор 4 с сопротивлением R, второй резистор 5 сопротивления R₀, операционный усилитель 6, клеммы 7 для подключения исследуемой полупроводниковой структуры, первый блок выборки и хранения 8, блок вычитания напряжений 9, ключ 10, источник постоянного напряжения 11, первый блок суммирования напряжений 12, масштабирующий преобразователь 13, третий блок выборки и хранения 14, дифференциатор 15, второй блок суммирования напряжений 16, второй блок выборки и хранения 17. Первый выход генератора импульсов 1 соединен со входами формирователя инжектирующих импульсов 2 и формирователя опорного напряжения 3, выходы которых через первый и второй резисторы 4 и 5 соответственно подключены к входу операционного усилителя 6, на входе и выходе которого имеются клеммы 7 для подключения исследуемой полупроводниковой структуры. Выход операционного усилителя 6 соединен с входом первого блока выборки и хранения 8 и с одним из входов блока вычитания напряжений 9, второй вход которого подключен к выходу первого блока выборки и хранения 8. Выход блока вычитания напряжений 9 соединен с аналоговым входом ключа 10, выход которого соединен с первыми входами первого и второго блоков суммирования напряжений 12 и 16. Управляющий вход ключа 10 подключен к первому выходу генератора импульсов 1. Выход источника постоянного напряжения 11 подключен к второму входу первого блока суммирования напряжений 12, выход которого соединен с входом масштабирующего преобразователя 13. Выход масштабирующего преобразователя 13 соединен с входами третьего блока выборки и хранения 14 и дифференциатора 15. Выход дифференциатора 15 подключен к второму входу второго блока суммирования напряжений 16, выход которого соединен с входом второго блока выборки и хранения 17. Выход последнего соединен с управляющим входом масштабирующего преобразователя 13. Второй выход генератора импульсов 1 подключен к управляющим входам первого и третьего блоков выборки и хранения 8 и 14. Третий выход генератора импульсов 1 подключен к управляющему входу второго блока выборки и хранения 17. Устройство для измерения времени жизни неосновных носителей заряда работает следующим образом. Генератор импульсов 1 вырабатывает последовательность импульсов, управляющую работой формирователя инжектирующих импульсов 2, формирователя опорного напряжения 3, ключа 10, первого, второго и третьего блоков выборки и хранения 8, 17 и 14. Формирователь инжектирующих импульсов 2 через первый резистор 4 подает на вход операционного усилителя 6 инжектирующие импульсы, полярность которых выбирается в зависимости от типа проводимости исследуемой полупроводниковой структуры (для полупроводника n-типа импульсы положительной полярности, для p-типа отрицательной), -U₂ на фиг. 2. Во время действия инжектирующих импульсов выходное напряжение формирователя опорного напряжения 3 равно нулю, -U₃ на фиг. 2. В исследуемой полупроводниковой структуре, подключенной к клеммам 7, задается необходимый ток инжекции, значение которого в течение действия инжектирующего импульса остается неизменным независимо от уменьшения сопротивления структуры, вызванного инжекцией носителя зарядов. После окончания действия инжектирующего импульса происходит рекомбинация неосновных носителей зарядов (н.н.з.), приводящая к увеличению сопротивления полупроводника. Увеличение сопротивления структуры в процессе рекомбинации происходит, в первом приближении, по экспоненциальному закону. Сопротивление полупроводниковой структуры R_стр (t) R₁ + R₂(t), где R₁ неизменяющаяся во времени часть сопротивления (сопротивление толщи образца, контактное переходное сопротивление); R₂(t) неизменяющаяся по экспоненциальному закону с постоянной времени часть сопротивления структуры. Постоянная времени переходного процесса в измерительной цепи (постоянная времени процесса рекомбинации) t характеризует время жизни н.н.з. в полупроводнике. Сопротивление полупроводниковой структуры в оперативной форме имеет вид . После окончания действия инжектирующего импульса формирователь опорного напряжения 3 через второй резистор 5 подает на вход операционного усилителя 6 опорное напряжение U_о. Изображение по Лапласу выходного напряжения операционного усилителя 6 имеет вид . Переходя к оригиналам, получим , -U₆ на фиг. 2. Первый блок выборки и хранения 8, управляемый импульсами со второго выхода генератора импульсов 1 (U_1-2 на фиг. 2), осуществляет измерение и запоминание мгновенных значений выходного напряжения операционного усилителя 6 в установившемся режиме, т.е. после практического окончания переходного процесса в измерительной схеме t>6 . При помощи блока вычитания напряжений 9 выходное напряжение первого блока выборки и хранения 8 вычитается из выходного напряжения операционного усилителя 6 (U₉ на фиг. 2). Ключ 10 замыкается на время действия импульсов опорного напряжения и размыкается на время действия инжектирующих импульсов. Таким образом, во время действия инжектирующих импульсов напряжение на выходе ключа 10 равно нулю (U₁₀ на фиг. 2). Напряжение с выхода ключа 10 суммируется первым блоком суммирования напряжений 12 с постоянным напряжением U₁ с выхода источника постоянного напряжения 11 и масштабируется масштабирующим преобразователем 13 с коэффициентом передачи К (U₁₃ на фиг. 2). . Дифференциатором 15 это напряжение дифференцируется (U₁₅ на фиг.2). , где _д постоянная дифференцирования дифференциатора 15. Второй блок суммирования напряжений суммирует напряжение с выхода ключа 10 и с выхода дифференциатора 15 . Второй блок выборки и хранения 17, управляемый импульсами с третьего выхода генератора импульсов 1 (U_1-3 на фиг.2), осуществляет измерение и запоминание мгновенных значений выходного напряжения второго блока суммирования напряжений 16 в момент времени, соответствующий протеканию переходного процесса в измерительной схеме, обусловленного рекомбинацией н.н.з. Время задержки импульса с третьего выхода генератора импульсов 1 от начала процесса рекомбинации (конца инжектирующего импульса) выбирается оператором исходя из ожидаемого диапазона значений или по осциллограмме выходного напряжения операционного усилителя 6. Операция выбора времени задержки этого импульса может быть легко автоматизирована путем аппаратурного анализа изменения напряжения на выходе операционного усилителя. В случае неравенства экспоненциально изменяющихся напряжений на выходе ключа 10 и на выходе дифференциатора 15 в момент времени, соответствующий положению импульса на третьем выходе генератора импульсов 1, выходное напряжение второго блока выборки и хранения 17 воздействует на управляющий вход масштабирующего преобразователя 13, изменяя его коэффициент передачи К до тех пор, пока выходное напряжение второго блока суммирования напряжения 16 не станет равным нулю. При этом . Третий блок выборки и хранения 14, управляемый импульсами с второго выхода генератора импульсов 1 (U_1-2 на фиг. 2), осуществляет измерение и запоминание мгновенных значений выходного напряжения масштабирующего преобразователя 13 в установившемся режиме, т.е. после практического окончания переходного процесса в измерительной схеме при t>. Выходное напряжение третьего блока выборки и хранения 14 пропорционально значению , т.е. времени жизни н.н.з. В предлагаемом устройстве компенсация экспоненциально изменяющейся составляющей выходного напряжения измерительной схемы осуществляется не в самой измерительной схеме (как в прототипе), вне ее. При этом отпадает необходимость устранения влияния компенсирующего напряжения на процесс инжекции носителей зарядов в исследуемый образец. Тем самым устраняется основной источник погрешности измерения в устройстве-прототипе. Основной вклад в образование погрешности в заявляемом устройстве вносит дифференциатор 15. Как известно, точность дифференцирования активными дифференциаторами на операционных усилителях существенно выше точности дифференцирования пассивной RC-цепью. Однако активным дифференцирующим устройством принципиально присуща погрешность преобразования, обусловленная требованием бесконечного возрастания коэффициента усиления с ростом частоты. Для устранения самовозбуждения применяют различные корректирующие и сглаживающие цепи, что приводит к искажению передаточной функции дифференциатора и, следовательно, к появлению дополнительной погрешности преобразования. Наиболее часто используется схема дифференциатора на ОУ с сопротивлением R_д в цепи обратной связи и последовательной цепочкой из сопротивления R_к и конденсатора C_д, подключенная к входу операционного усилителя (ОУ), где R_дC_д = _д R_к служит для частотной коррекции и устранения самовозбуждения. При использовании такой схемы в качестве дифференциатора 15 коэффициент передачи последнего описывается выражением . Изображение по Лапласу выходного напряжения дифференциатора 15 . Переходя к оригиналам, получим . Выходное напряжение второго блока суммирования напряжений 16 . Отсчет измеренного значения путем измерения и запоминания третьим блоком выборки и хранения 14 значения выходного напряжения масштабирующего преобразователя 13 при t>6 осуществляется при равенстве нулю экспоненциально изменяющегося напряжения в выбранном временном сечении, т.е. при выбранном времени задержки импульса на управляющем входе второго блока выборки и хранения 17. Решив это уравнение относительно K, можно определить фактическое значение K, при котором достигается компенсация экспоненциально изменяющегося напряжения на выходе ключа 10. Если U₁ U₀, то Относительная погрешность определения К, а значит и по KU₁, определяется выражением Для уменьшения погрешности дифференцирования дифференциатором 15 необходимо выбирать R_дC_д < Поскольку R_к<R_{, при t Например, при значениях t 100 мкс, К 0,5 и Rд 20 кОм, Rк 100 кОм Таким образом, в предлагаемом устройстве устранен основной источник погрешности определения значения}

Формула изобретения

Устройство для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниках, содержащее формирователь инжектирующих импульсов, формирователь опорного напряжения, первый и второй резисторы, операционный усилитель с клеммами для подключения исследуемого полупроводника на входе и на выходе, первый и второй блоки выборки и хранения, масштабирующий преобразователь и генератор импульсов, первый выход которого соединен с входами формирователя инжектирующих импульсов и формирователя опорного напряжения, выходы которых через первый и второй резисторы соответственно подключены к первому входу операционного усилителя, второй вход которого подключен к общей шине, а выход операционного усилителя соединен с входом первого блока выборки и хранения, а второй и третий выходы генератора импульсов соединены соответственно с управляющими входами первого и второго блоков выборки и хранения соответственно, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно дополнительно снабжено ключом, источником постоянного напряжения, первым и вторым блоками суммирования напряжений, третьим блоком выборки и хранения, дифференциатором и блоком вычитания напряжений, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, второй вход соединен с выходом первого блока выборки и хранения, а выход блока вычитания напряжений соединен с аналоговым входом ключа, управляющий вход которого соединен с первым выходом генератора импульсов, а выход ключа соединен с первыми входами первого и второго блоков суммирования напряжений, причем выход источника постоянного напряжения подключен к второму входу первого блока суммирования напряжений, выход которого соединен с входом масштабирующего преобразователя, выход которого соединен с входами третьего блока выборки и хранения и дифференциатора, выход которого соединен с вторым входом второго блока суммирования напряжений, выход которого соединен с входом второго блока выборки и хранения, выход которого подключен к управляющему входу масштабирующего преобразователя, а управляющий вход третьего блока выборки и хранения подключен к второму выходу генератора импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2