Устройство для измерения электрофизических параметров мдп структур

Устройство для измерения электрофизических параметров мдп структур

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Свюэ Советски

Социалистических

Республик

i905885 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 200580 (21) 2926071/18-21 ($1) М Kfl З

G 01 R 31/26 с присоединением заявки N

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

{23) Приоритет (531УДК 621.382.2 (088. 8) Опубликовано 150282. Бюллетень Ко 6

Дата опубликования описания 15.02.82

А.И.Мартяшин, d.Ô.Ðûæoâ, A.A.Õåëüíèêoâ, A.Â.Ñâåòëoâ, Б..В.Цыпин и В.M.×àèêoâ Ãéé. (72) Авторы изобретения

/: ..

Пензенский политехнический и ститфг

Г о (71) Заявитель (5 4 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗ И

ПАРАМЕТРОВ МДП-СТРУКТУР

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для проведения контроля качества полупроводниковых структур, например

МПП-структур (металл — диэлектрик полупроводник), в процессе их производства.

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

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения реальных параметров МДП-структур из-за использования неточной схемы замещения..

Наиболее близким к изобретению является устройство для регистрации и измерения вольт-фарадных характеристик, позволяющее производить раздельное измерение параметров по более точной 3-элементной схеме замещения МДП-структуры. Устройство содержит генератор синусоидального напряжения (источник опорного напряжения), объект измерения, программируемый источник смещения, управляемый делитель напряжения, образцовое сопротивление (Йо), первый операционный усилитель, выпрямитель, самописец, индикатор синфазности, инвертор, второй операционный усилитель, образцовые конденсаторы, первый сумматор, фильтр нижних частот, регулируемое сопротивление, блок управления, первый ключ, второй сумматор, нуль-орган, запоминающий блок, второй управляемый делитель напряжения, второй ключ (2).

К недостаткам данного устройства относится низкое быстродействие цепи компенсации влияния линейно изменяющегося напряжения, смещения на режим операционного усилителя по постоянному току ввиду того, что в цепь компенсации включено интегрирую" щее звено — фильтр нижних частот.

Это ограничивает скорость изменения напряжения смещения. Кроме того, устройство характеризуется ограниченными функциональными возможностями, не позволяющими измерять все парамет- ры эквивалентной схемы М)1П-структуры.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей и повы" шение быстродействия измерения эле905885 ктрофизических параметров МДП-структур.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения электрофиэических параметров МДП-структур, содержащее самописец, источник опорного напряжения, клеммы для подключения исследуемого объекта, программируемый источник смещения, инвертор, регулируемое сопротивление, управляемый делитель напряжения, два ключа, нуль-орган, запоминающий блок, два сумматора, операционный усилитель с образцовым конденсатором в цепи обратной связи, блок управления, причем первый сумматор соединен одним иэ входов с первым входом . второго сумматора и выходом источника опорного напряжения, вход первого сумматора — со входом инвертора, выходом программируемого источника смещения и с горизонтальным входом самописца, а выход соединен с одной из клемм для подключения исследуемого объекта, другая клемма подключена через регулируемое сопротивление к выходу инвертора и непосредственно ко входу операционного усилителя, выход которого соединен с управляемым делителем напряжения, блок управления одним выходом соединен с программируемым источником смещения„ с первым и вторым ключами и с запоминаюцим блоком, выход которого подключен к управляемому делителю напряжения, выход которого подключен к первому ключу

-,;""-.."">ому входу второго сумматора, о»; которого соединен через послевЂ.o,àòåëüHà включенные второй ключ, нуль-орган и первый ключ с третьим входом первого сумматора, другой выход блока управления подключен ко второму ключу, выходом которого соединен с запоминающим блоком, а выход нуль-органа подключен к заноминающему блоку, введены коммутатор, блок измерения постоянной времени, схема деления напряжений, дополнительный эапоминаюций блок, вычитатель напряжений, выходы которых соединены через коммутатор со входом самописца, четыре дополнительных ключа„ причем третий выход блока управленчя соединен с управляющим гходом дополнительного запоминающего блока и с управляющим входом первого дополнительного ключа, соединяющего управляющий вход регулируемого сопротивления с выходом операционного усилителя, а четвертый— со входом второго дополнительного ключа, один управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, а другой — с выходом нуль-.органа, а выход этого ключа с управляюцими входами блока измерения постоянной времени и третьего и четвертого дополнительных ключей, выход операционного усилителя соединен через третий дополнительный ключ со входом вычитателя напряжений, а через четвертый дополнительный ключ — со входом дополнительного запоминающего блока, выход которого соединен с другим входом вычитателя напряжений, выход которого соединен с одним входом схемы деления напряжений, другой вход которой соединен с выходом блока измерения постоянной времени, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, выход запоми нающего блока, соединенный с управляемым делителем напряжения, соединен с коммутатором, а пятый выход блока управления соединен со входом источника опорного напряжения.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения электрофизических параметров ИДП-структур; на фиг. 2 — временные диаграммы поясняющие работу устройства; на фиг. 3 — блок измерения постоянной времени, схема.

Устройство содержит блок управления 2, источник опорного напряжения

2, первый сумматор 3, исследуемый объект 4, операционный усилитель 5, образцовый конденсатор 6, управляемый делитель напряжения 7, первый ключ 8, второй сумматор 9, второй ключ 10, запоминающий блок 11, нульорган 12, программируемый источник смещения 13, инвертор 14, регулируемое сопротивление 1.5, первый, второй и третий дополнительные ключи 16 — 18, дополнительный запоминающий блок 19, ключ 20, вычитатель напряжений 21, блок измерения постоянной времени 22, схема деления напряжений 23, коммутатор 24, самописец 25.

Устройство работает следуюцим образом.

В начальный момент времени to no команде блока управления 1 размыкаются ключи 8, 10 и 18, сбрасывается в исходное состояние эапоминаюций блок 11, источником 2 опорного напряжения вырабатывается прямоугольное напряжение амплитуды U > частоты повторения f0è скважности, равной двум, к исследуемому объекту

4 прикладывается через первый сумматор .3 сумма прямоугольного напряжения Ug от источника 2 и линейно изменяющегося напряжения смещения от программируемого источника смещения 13, управляемого блоком управления 1, вводящего объект 4 в режим сильного обогащения (положительное для структуры и-типа и отрицательного для структуры р-типа) . В данном случае исследуемым объектом является ИДП-структура. Напряжение на выходе операционного усилителя 5, 905885

Изображение напряжения () (Р)во временной области имеет вид

Р, Е АР

А>е,.е,)

Се(е,тРА) Р,,Е, А

)) )Е С )Р,))

, + x I-8 ))

Ь) )1 0(1 9. Ъ) ,где С„- емкость диэлектрика;

С вЂ” емкость образцового конден- 35 сатора;

С))- емкость обедненного слоя полупроводника;

СЪи - емкость и сопротивление, связанные с поверхностными состояниями и зависящие от поверхностного потенциала.

В режиме обогащения емкость С0 обедненного слоя полупроводника настолько велика, что емкость МДП- 45 структуры практически равна емкости диэлектрика. Следовательно в режиме обогащения С0 07 С „, а напряжение на выходе операционного усилителя 5 имеет вид 50

С

5 0 С

При этом напряжение равляемого делителя равно

U на выходе упнапряжения 7

С)

0 С 7

СО где Кр — коэффициент передачи управляемого делителя напряжения 7..

Через время g t от начала измерения, достаточное для смещения объекта 4 в режим обогащения, по команде блока управления 1 замыкается ключ 10. Напряжение U < на выходе Я обусловленное первым скачком прямоугольного напряжения, выражается

Ug (Р ) = Uy К (P ) где Б 0 — амплитуда воздействия;

K(P)- изображение передаточной функции измерительной цепи iPCo (Р)= „

СЪ " с с " С5 с с

Выражение К(Р) может быть представлено в табличном виде следующим образом С С р 1 3 1

С А Р Р АГ б б А Р)рте)

С„С +С гдеА= — —; p=

ГЪ (С.,С,,)

С С „20

"5(" (СОК Р+ РС,1СЪСО P (P> P) второго сумматора 9, равное Ug=U7-Uy через замкнутый ключ 10 и запоминаЮщий блок 11 подается на регулирую" щий вход управляемого делителя напряжения 7 и изменяет его коэффициент передачи К . Как только К станет равным К7=С0/С, напряжение на выходе второго сумматора 9 станет равным нулю (U9 = О), и нуль-орган

12 выдает команду на запоминающий блок 11 для запоминания напряжения

При этом выходное напряжение зайоминающего блока 11 0 „ поддержи» вает коэффициент передачи управляемогь делителя напряжения 7 равным

Kz —- С0/С„, кроме того открывается ключ 8, и на третий вход сумматора 3 подается выходное напряжение управляемого делителя напряжения 7 U7.

Напряжение на выходе сумматора 3 равно U g = Б0 + У„Ъ+ U . Напряжение на выходе операционного усилители 5 при етаы имеет вил

ПА)Р> = )))ЕЕ Бт) Рвет>Р) где Е(Р)- изображение сопротивления объекта 4.

После смещения МДП-структуры объекта 4 в интересующую область (вывода МДП-структуры 4 из режима обогащения) напряжение на выходе операционного усилителя 5 равно V

0 7

Офр

С, РС0 С0

С+С QCÑ С ( С,)СЪ )

0.С. С, Так как U7 = U .К 7 = U — то имеем

Со

7 5c„

А>0

ИР

С0 РСΠ— + р

С. (р+а) QC C Ъ pea

0 р с

СЪ Р+б 1С 1СЪ Р Ф е

СЪ Р СЪ 1

="0 С 1 0С0

0 РФ kc р+ с0

СО СЕ

= «е=,п, Таким образом, компенсация емкости диэлектрика С достигается, и выходное напряженйе операционного усилителя 5 не зависит от параметра С .

Обеспечение компенсации влияния напряжения смещения на режим работы операционного усилителя 5 по постоянному току достигается при помощи инвертора 14, регулируемого сопротивления 15 и ключа 16. На ре905885 гулируемое сопротивление 15 пода ется инвертированное линейно изменяющееся напряжение смещения U e

Выходное напряжение операционного усилителя 5, поступающее на управляющий вход регулируемого сопротивления 15 через ключ 16, открываемый импульсом от. блока управления 1 в момеит времени 1„,„длительностью at, изменяет значение регулируемого сопротивления 15, так, чтобы выходное напряжение операционного усилителя

5 в момент времени ш дподдерживалось равным нулю. Напряжение ()5(р) во временной областис имеет„вид

" (") ="о е +"о c (l-.e peg ) °

В момейт времени =1„подачи скач" ка постоянного напряжения от источника 2 опорного напряжения выходное напряжение операционного усилителя

5 определяется значением емкости С

U5(t4 = с СЬ

Uo

Это напряжение выделяется ключом 17, который открывается на время действия тактового импульса, поступающего от блока управления 1 в момент времени t через ключ 18, открываемый в момейт срабатывания нульоргана 12. Выделенное, ключом 17 напряжение () ()поступает на запоминающий блок 19, сбрасывается в исходное состояние импульсом от блока управления 1 в момент времени

Напряжение ()5()запоминается и с выхода запоминающего блока 19 поступает на вход коммутатора 24 и на вход вычигателя напряжений 21. В установившемся режиме, в конце полупериода напряжения прямоугольной формы, выходное напряжение операционного усилителя 5, равное

U5(t )= — — (с + с ), Цо

i.îñróïaår на вход вычитателя напря>хений 21 через ключ 20, имеющий временную задержку по управляющему вхоqy .;,. относительно момента времени : ... Значение t> выбрано .из условия 1 ) (>, т. е. чтобы практически ак -:чился переходной процесс от скачка постоянного напряжения в измери" тельной цепи. На другой вход вычитателя напряжений 21 поступает напряжение U@(t ) с выхода запоминаю1 щего блока 19 и выходное напряжение вычитателя напряжения 21

UO c (1М жт ) со пропорциональное значению параметра

С, поступает на вход коммутатора

24.

Одновременно с открыванием ключа

17 тактовым импульсом от блока управления 1, запускается блок .измерения постоянной времени 22, который может быть реализован любым известным способом (см. фиг. 3).

Блок измерения постоянной времени содержит дифференциатор 26, ключ 27, схемы совпадений 28 и 29, источник

30 постоянных опорных напряжений

Ц>„ и () >0, триггер 31, преобразователь 32 временного интервала в напряжение.

Выходное напряжение U g блока измерения постоянной времени 22, пропорциональное Ъ, поступает на вход коммутатора 24 и на вход схемы деления напряжений 23, в которой напряжение U<<, поступающее с выхода вычитателя напряжений 21 на другой вход схемы деления нап;.яжения 23, делится на напряжение U .

Выходное напряжение схемы деленйя напряжений 23 U, пропорциональное

G =, поступает на коммутатор

24. д значении параметра C „ судят по значению коэффициента передачи О управляемого делителя напряжения 7, а в случае линейности коэффициента передачи последнего — по значению управляющего напряжения на выходе запоминающего блока 11, подавае25 мого на коммутатор 24.

Предлагаемое устройство позволяет измерять электрофизические параметры ИДП-структур по более точной, 4-элементной, схеме замещения.

При этом значительно расширяются функциональные возможности устройства, позволяющие эа один цикл измерения получить информацию обо всех параметрах схемы замещения МДП-структуры,. а именно с„т-v, c -v, с -v, с-ч.

Также повышается бйстродействне цепи компенсации влияния линейно изменяющегося напряжения смещения на режим операционного усилителя по постоянному току за счет исключения из нее фильтра нижних частот, а это позволяет работать при более высоких скоростях изменения напряжения смещения.

Формула изобретения

Устройство для измерения электрофизических параметров МДП-структур, содержащее самописец, источник опорного напряжения, клеммы для подключения исследуемого объекта, программируемый источник смещения, инвертор, регулируемое сопротивление, управляемый делитель напряжения, два ключа, нуль-орган, запоминающий блок, два сумматора; операционный усилитель с образцовым конденсатором в цепи обратной связи, блок управления, причем первый сумматор соединен одним иэ входов с первым входом второго сумматора и выходом источника опорного напряжения, вход первого сумматора — co входом инвертора, выходом программируемого источника смещения и с горизонтальным входом самописца,.а выход соединен

"05885

10 с одной из клемм для подключения исследуемого объекта, другая клемма подключена через регулируемое -опротивление к выходу инвсртора и непосредственно ко гходу операционного усилителя, выход которого сое- 5 динен с управляемым делителем напряжения, блок управления одним выходом соединен с программируемым источником смещения, с первым и вторым ключами и с запоминающим блоком, выход которого подключен к управляемому делителю напряжения, выход которого подключен к первому ключу и второму входу второго сумматора, выход которого соединен через последовательно включенные второй ключ, нуль-орган и первый ключ с третьим входом первого сумматора, другой выход блока управления подключен ко второму ключу, выход которого соединен с запоминающим блоком, выход 20 нуль-органа подключен к запоминающему блоку, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения быстродействия устройства для 5 измерения электрофизических параметров МДП-структур, в него введены коммутагор, блок измерения постоянной времени, схема деления напряжений, дополнительный запоминающий блок, вычитатель напряжений, выходы которых соединены через коммутатор со входом самописца, четыре дополнительных ключа, причем третий выход блока управления соединен с 35 управляющим входом дополнительного запоминающего блока и с управляющим входом первого дополнительного ключа, соединяющего управляющий вход регулируемого сопротивления с выходом операционного усилителя, а четвертый — со входом второго дополнительного ключа, один управляющий. вход которого соединен с первым выхо дом блока управления, а другой — с выходом нуль-органа, а выход этого ключа с управляющими входами блока измерения постоянной времени и третьего и четвертого дополнительных ключей, выход операционного усилителя соединен через третий дополнительный ключ со входом вычитателя . напряжений, а через четвертый дополнительный ключ — со входом дополнительного запоминающего блока, выход которого соединен с другим входом вычитателя напряжений, выход которого соединен с одним входом схемы деления напряжений, другой вход которой соединен с выходом блока измерения постоянной времени, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, выход запоминающего блока, соединенный с управляемым делителем напряжения, соединен с коммутатором, а пятый выход блока управления соединен со входом источника опорного напряжения.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидет льство СССР

Р 658508, кг. G 01 R 31/26, G R 27/26, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 763821, кл. С 01 В 31/26, 1978 (прототип).

905885 йЧ

386/68 Тираж 718 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Н.Чистякова

Редактор К.Волощук Техред М. Рейвес Корректор Г. Назарова