Измеритель электрофизических характеристик мдп-структур

Измеритель электрофизических характеристик мдп-структур

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О П И С A H .И Е (и) 924635

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Рескублнк

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ВI ) Доколнителькое к авт. свкд-ву (51)М. Кл. (22) Заявлено 27.06.80 (21) 2948361/18-21 с лрисоедкиениеат заявки М (23) Приоритет

С 01 В, 31/26

ГоеудерстмииыН кекитет

СССР

IIo делан иаабретеиий и открытий

Опубликовано 30.04.82. Бюллетень яе 16

Дата ояублнковаккя описания 30 ° 04.82 (53) УД (621.382 .2(088.8) ст

А.И.Иартввин, А.В.Светлов, Б.й.Цапин и В.M. àéê6âñêèì

f (72) Авторы изобретения

I в

Пензенский политехнический институт

{71) Заявитель (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОфИЗИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ИДП-СТРУКТУР

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для проведения контроля качества полупроводниковых структур, например, ИДП-структур, в процессе их производства.

Известно устройство, позволяющее производить раздельное измерение параметров ИДП-структур, представляемых трехэлементной схемой замещения 1).

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения параметров МДП-структур, так как последняя представляется неточной трехэлементной схемой замещения и при дальнейшем пересчете полученных значений для четырехэлементной схемы замещения, возникают значительные погрешности (до 15 ) .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения электрофизических параметров МДП-структур, позволяющее производить измерение злектрофизических параметров ИДП" структур на более точной четырехэлементной схеме замещения, содержащее блок управления, источник опорного напряжения, первый сумматор, исследуемый объект, операционный усилитель, образцовый конденсатор, управляемый делитель напряжения, 10 первый ключ, второй сумматор, второй ключ, запоминающий блок, нульорган программируемый источник напряжения смещения, инвертор, регулируемое сопротивление, первый, вто1S рой и третий дополнительные ключи, дополнительный запоминающий блок, ключ, вычитатель напряжений, блок измерения постоянной времени, схема деления напряжений, коммутатор, самописец $2$.

Недостатком известного устройства является высокая погрешность измерения параметра четырехэлементной схемы замещения Ст и связанных с ним

kUa

ТК P где K î ) .1

3 9246 параметров С и R, которая обусловлена тем, что о значении параметра С судят по измерению мгновенного значения выходного напряжения операционного усилителя в момент подачи на вход измерительной схемы скачка постоянного напряжения, а измерения подобного рода всегда сопряжены с большими случайными погрешностями.

Цель изобретения - повышение точ" 10 ности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель электрофизических характеристик ИДП"структур, содержащий нуль-орган, источник )s опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с первой клеммой для подключения исследуемого объекта, а ко второй клемме подключены вход операционного, усилителя с опорным элементом в це" пи обратной связи и выход блока компенсации напряжения смещения, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а второй вход " с выходом источника напряже" ния смещения, первым входом самописца и со вторым входом первого сумматора, третий вход которого через первый ключ соединен с одним входом второго сумматора, другой вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, выход операционного усилителя через второй ключ соединен с блоком памяти, введены генератор тактовых импульсов, два интегратора, масштабирующий усилитель, дополнительный сумматор, пиковый детектор, причем выход операцион" ного усилителя соединен через после40 довательно включенные первый интегратор и масштабирующий усилитель с од-, ним входом второго сумматора, выход которого подключен к нуль-органу другой выход второго ключа соединен через пиковый детектор со вторым входом самописца, а через второй интегратор с первым входом дополнительного сумматора и третьим входом самописца, четвертый вход которого через дополнительный сумматор подключен к выходу блока памяти, другой вход которого -соединен. ср вторым

35 4 входом второго ключа, управляющим входом источника опорного напряжения и первым выходом генератора тактовых импульсов, второй выход которого соединен с управляющим входом блока компенсации напряжения смеще" ния, а вход - с входной клеммой измерителя.

На фиг. 1 .изображена структурная схема измерителя, на фиг, 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу, Схема содержит генератор 1 тактовых импульсов, управляемый источник

2 опорного напряжения, первый 3, .второй 4 и третий 5 сумматоры, исследуемый объект (МДП-структура) 6, операционный усилитель 7, опорный элемент 8 (Ho3, первый 9 и второй

10 интеграторы, масштабирующий усилитель 11, нуль-орган 12, первый ключ 13, второй ключ 14, блок 15 na" мяти, пиковый детектор 16, самописец 17, источник 18 напряжения смещения, блок 19 компенсации напряжения смещения, содержащий инвертор 20, регулируемое сопротивление 21, ключ 22.

Измеритель работает следующим образом.

По сигналу "Пуск" запускается генератор 1 тактовых импупьсов, который в свою очередь запускает и начинает управлять работой источника 2 опорного напряжения, вырабатывающего сигнал в виде последовательности чередующихся импульсных напря-. жений пилообразной и прямоугольной формы (фиг.2О3.

В начальный интервал времени ht до введения ИДП-структуры в режим обогащения напряжения на выходе операционного усилителя 7> обусловленной подачей пилообразного напряжения

kUo1; на ИДП-структуру, имеет изображение вида

- крутизна пилообразного напряжения, " изображение передаточной функции измерительной схемы.

92463 где С, СЭ

KUoR oC Cq. я.

- емкость диэлектрика, - емкость обедненного слоя полупроводника;

R . - сопротивление образцоΠ— вого резистора, 5

С и R - емкость и сопротивление, связанное с поверхностными состояниями.

Изображение напряжения U< p> во 1в временной области имеет вид (фиг.25) В интервал времени д, до введения ИДП-структуры в режим обогащения,2O напряжение на выходе операционного усилителя 7, обусловленное подачей скачка постоянного напряжения амплитуды U, имеет изображение вида: 25 (Р) С Ч) где U0 « амплитуда воздействия.

Изображение напряжения 13 ® во временной области имеет вид (фиг.26) )О О 1 Ъ

%Ро(а З.1С4- -И

Р,С (С ФС q)

UoRo+4 (С +С 5) -Я

«ф С

kc«c с,) Режим обогащения достигается путем подачи на ИДП"структуру высокого постоянного напряжения смещения, которое выдается источником 18 на" пряжения смещения, путем перевода, последнего из режима линейно изменяющегося напряжения в режим постоянного напряжения обогащения.

В режиме обогащения емкость C. обедненного слоя полупроводника настолько велика, что емкость ИДПструктуры практически равна емкости диэлектрика.

Следовательно, в режиме обогащения СЭР С1, а напРяжение на выхо. де операционного усилителя для интервала времени д имеет вид

Ц%(р) KUORQC U (t) kqJpoC, э

5 6 для интервала времени д1

U — U К®, U ) У Е С

К ) = рС Р ; U (t) U R C 8(t).

После введения ИДП-структуры в режим обогащения регулируют коэффициент передачи масштабирующегр усилителя 11. до равенства напряжения U< на выходе сумматора Й нулю, т.е. до момента, когда U < — Uo U< = О, Как только Ц1 = О, срабатывает нуль-орган 12, что свидетельствует о том, что коэффициент передачи К у) последовательно соединенных первого интег" ратора 9 и масштабирующего усилителя 11 становится равен

К„,Р) = 1/РС„ В, После этого МДП-структура 6 выводится из режима обогащения. путем перевода источника 18 напряжения смещения в режим линейно изменяющегося напряжения и замыкается ключ 1).

Тогда для интервала времени д11 на выходе операционного усилителя 7 имеет напряжение, вида .

=-Ka с— о цр) о

НСа

КЯО(с2,+С Ь)0

1 С а Р+

RC2, Таким образом достигается компенсация емкости диэлектрика С .

Аналогично компенсируется емкость диэлектрика и для интервала времени

gt «.е, выходное напряжение опеРационного усилителя 7 не зависит от параметра С при подаче на ИДП1 структуру 6 воздействия любого вида.

После того, как емкость диэлектрика С скомпенсирована, начинается процесс снятия С-G-Ч-характеристик.

Обеспечение компенсации влияния напряжения смещения О на режим работы операционного усилителя 7 по постоянному току достигается при помощи блока 19 компенсации напряжения смещения, состоящего из интервала 20, регулируемого сопротивления

21 и ключа 22.

На регулируемое сопротивление 21 подается инвертированное, линейно изменяющееся напряжение. смещения Uy и далее на вход операционного усилителя 7, выходное напряжение которого поступая на управляющий вход регулируемого сопротивления 21 через ключ

22, открываемый импульсом от генера"

924635

7 тора 1 тактовых импульсов в момент времени 1Ко,медлительностью 4,t (фиг.26), изменяет значение коэффи циента передачи регулируемого сопротивления 20 так, чтобы выходное на- S пряжение операционного усилителя 7 в момент времени 1„о лподдерживалось равным нулю (фиг.2 д) .

Напряжение Бт во временной области имеет вид для интервала времени (фиг.28), индекс К показывает, что интервал времени взят после мо,мента компенсации С„.

U < „к1 К® о(,+С,)«

-+.t RCz - Яса е )KVу е для интервала времени At < (фиг.2g

u (+«) = в. е- -ЪЯоСф(+)

Обозначим

1 +)= о о е 0 ® 1ойоСф )

Как показывают расчеты, погрешность измерения в интервал времени

btgg вызванная наличием реакции измерительной схемы Д(с) на скачок постоянного напряжения U, не превышает 1,5Ф по всему диайаэону измерения, поэтому можно считать, что о1 о -

Напряжение U>(g ), пропорциональ35 ное значению параметра G =4/R, поступает на вход пикового детектора

16, на выходе которого имеем

4Ь О о

40 где К вЂ” коэффициент передачи пикового детектора 16.

Напряжение У7 (t„<) при t<< = уст равно

U,(t., = -К1У,(С + С ), м т..е, U (t ) пропорционально сумме параметров С и Сз.

Значение t > выбрано иэ условия, что ус-гЪ (5"6} W, так как при =

= (5-:6) : е с1.

Напряжение О. (й .) через ключ 14, управляемый генератором 1 тактовых импульсов, поступает на блок 15 памяти и далее на один из входов сум" матора 5.

В интервале времени йй к напряжение U (t2 ) через ключ 14 поступает на второй интегратор 10, на выходе которого напряжение имеет вид (фиг.2Ф)

1 + (с

U (t) = — — URС (1 — е ), о г„в о где - постоянная интегрирования интегратора 10.

При t = й„ имеем т.е. U (t„ ) пропорционально значе10 нию параметра С

Напряжение Ugt„ ) поступает на другои вход сумматора 5 напряжение на выходе которого равно

Цl<) =-К0 ко<3

Uî îC 2 о 3 ф

1 при условии, что k = )/ „, Таким образом, выходное напряжение сумматора 5 U<(t) пропорционально значению параметра С .

В интервал времени ht передним фронтом тактового импульса от генератора 1 тактовых импульсов сбрасывается в исходное состояние блок

15 памяти.

Напряжения U Ц, Ц„ поступают щО 5 48 на вертикальные входы самописца 17, на горизонтальный вход которого подается напряжение смещения Б . На ленте самописца 17 фиксируются кривые С -У; С -V; С-V.

Путем исйользования предлагаемого измерителя удается устранить влияние случайной составляющей погрешности измерения параметра С> за счет измерения значения напряжения, пропорционального данному параметру, после окончания .переходного процесса в измерительной схеме, т.е. в установившийся момент времени, а не в момент подачи скачкообразного воздействия на объект измерения, когда крутизна экспоненциальной составляющей выходного напряжения операционного усилителя максимальна и значение случайной составляющей погрешности измерения напряжения, пропорционального параметру С, может быть достаточно велико.

Формула изобретения

Измеритель электрофизических хаактеристик ИДП-структур, содержащий

9246 нуль-орган, источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с. первой клеммой для подключения исследуемого 5 объекта, а ко второй клемме подключены вход операционного усилителя с опорным элементом в цепи обратной связи и выход блока компенсации напряжения смещения, первый вход кото- 10 рого соединен с выходом операционного усилителя, а второй вход - с выходом источника напряжения смещения, первым входом самописца и со вторым входом первого сумматора, третий ts ,вход которого через первый ключ соединен с одним входом второго сумматора, другой вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, выход операционного уси- В лителя через второй ключ соединен с блоком памяти, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены генератор тактовых импульсов, два интегратора, масштабирующий усилитель, дополнительный сумматор, пиковый детектор, причем выход операционного усилителя соединен через последова35 10 тельно включенные первый интегратор и масштабирующий усилитель с одним входом второго сумматора, выход которого подключен к нуль-органу, другой выход второго ключа соединен через пиковый детектор со вторым входом самописца, а через второй интегратор с первым входом дополйительно" го сумматора и третьим входом самописца, четвертый вход которого через дополнительный сумматор подключен к выходу блока памяти, другой вход которого соединен со вторым входом второго ключа, управляющим входом источника опорного напряжения и первым выходом генератора тактовых импульсов, второй выход которого соединен с управляющим входом блока компенсации напряжения смещения, а вход — с входной клеммой измерителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 763821, кл. G 01 R 31/26 1978.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р" 2926071/18-21, кл. G 01 R 31/26, 20.11.80 (прототип) .

Э24635 EnwN

Ж

>su

Редактор 8.Петраш

Тираж 719 Подписное

8НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35 1 Раушская наб., д. 4/5

Заказ 4872

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

Ьр.йоУ

Фл@

Ф г d3.1å

Составитель Н.Чистякова

Техред М.Рейвес Корректор M,Ëåì÷èê