Устройство для измерения характеристик мдп-структур

 

УСТРОЙСТВО ШШ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СТРУКТУР содержащее генераторы тестового сигнала и пилообразного напряжения, присоединенные выходами к одной из шин для подключения исследуемой структуры , другая шина которой соединена с измерительным резистором и через усилитель измерительного сигнала с первым входом схемы сравнения, подключенной вторым входом к выходу блока установки опорного напряжения , а своим выходом - к входам управления двух схем измерения и фиксации напряжен ия, измерительные входы которых соединены с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, входом синхронизации подключенного к первому выходу блока i ,.,, обработки и отображения информации, включающие соединенные между собой схемы обработки и отображения, два входа которого присоединены к выходам схем измерения и фиксации напряжения , отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия , в нем блок установки опорного напряжения выполнен в виде последовательно соединенных регистра первой схемы И, сумматора второй схемы И, цифро-аналогового преобразователя , выход которого является выходом блока установки.опорного напряжения, и из двух элементов задержки , схемы измерения и фиксации напряжения снабжены синхронизирую 5 щими входами, соединенными со входом синхронизации генератора пилообразного напряжения, а блок обработки и отображения информации дополнительно снабжен схемой накопления, информационные входы которой являются входами этого блока, ее первый выход соединен с дополнительным входом первой схемы И и входом первого элемента задержки, а второй выход подключен ко второму входу схемы обработки, управляющий вход которой соединен с вторым выходом сумматора и входом второго элемента задержки, выход которого подключен к второму входу сумматора, причем выход первого элемента задержки соединен с BTOpHfvi входом второй схемы И, а второй выход схемы обработки соединен с третьим входом схемы накопления.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК 511 G R 31/26

ГОСУД АРСТВЕННЪ|Й КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН Я

Н АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

) )> (21) 3250294/18-21 (22) 20.02.81 (46) 23.07.83. Бюл. Р 27 (72) В.М.Колешко, Н.Н.Анишкевич, B.H.Ñóíêa и С.С.Кривоносов (71) Институт электроники АН Белорусской ССР (53) 621.382.2 (088.8) (56) 1. La ini neer К.Н. Automat с

0isplayof HlS Capacitance Versus.

В i as Cha ract er i st i cs. RCA Rev i eu. ХХУП, 3, 1966, р. 341 °

2. Авторское свидетельства СССР

9 240853, кл. G 01 R 31/26, 1969.

3. Авторское свидетельство СССР

9 655996, кл. G R 31/26, 1977. (54)(57) УСТРОЙСТВО ЗЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ХАРАКТЕРИСТИК N21II-СТРУКТУР, содержащее генераторы тестового сигнала и пилообразного напряжения, присоединенные выходами к одной из шин для подключения исследуемой структу. ры, другая шина которой соединена с измерительным резистором и через усилитель измерительного сигнала с первым входом схемы сравнения, подключенной вторым входом к выходу блока установки опорного напряжения, а своим выходом — к входам управления двух схем измерения и фиксации напряжения, измерительные входы которых * соединены с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, входом синхронизации подключенного к первому выходу блока

„„Я0„„1030747 А обработки и отображения информации, включающие соединенные между собой схемы обработки и отображения, два входа которого присоединены к выходам схем измерения и фиксации напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в нем блок установки опорного напряжения выполнен в виде последовательно соединенных регистра первой схемы И, сумматора, второй схемы И, цифра-аналогового преобразователя, выход которого является выходом блока установки, опорного напряжения, и из двух элементов задержки, схемы измерения и фиксации напряжения снабжены синхронизирую- Q щими входами, соединенными со входом синхронизации генератора пилообразного напряжения, а блок обработки и отображения информации дополни- ( тельно снабжен схемой накопления, информационные входы которой являются входами этого блока, ее первый выход соединен с дополнительным входом первой схемы И и входом первого элемента задержки, а второй выход („,„-,.) подключен ко второму входу схемы обработки, управляющий вход которой соединен с вторым выходом сумматора (,7 и входом второго элемента задержки, выход которого подключен к второму входу сумматора, причем выход пер- gh ваго элемента задержки соединен с вторым входом второй схемы И, а второй выход схемы обработки соединен с третьим входом схемы накопления.

1030747

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть испольэонано для контроля качества и измерения характеристик МДП-струкTvp

В настоящее время для контроля

МДП (металл-диэлектрик-полупроводпик ) структур широко применяются измерители вольтфарадных характерист»к, регистрирующие зависимость емкости структуры от величины смещающего напряжения.

Известно устройство для измерения и регистрации характеристик, ИДЧ-структур такого типа, которое состоит иэ генератора » усилителя 15 синусоидальног0 иэмер»тельного сигнала частотой 1 мГц. В качестве генератора развертки используется напряжение осциллографа, на входы

Х и ко" îðîãî подаются напряже- 7п ния регистрации сигналонg Ilp0IIop циональных соответственно емкости и смещающему напряжению $1) .

Недостатками такого устройстна являются »»экая точность измерений и малое быстродействие устройства в целом, так как анализ характеристик производится визуально с экрана осциллографа.

Известно также устройство, состоящее из генератора тестового сигнала, усилителя, генератора пилообразного напряжения, синхронизатора, порогового устройства и индикатора разности напряжений, которое поэноляет фиксировать смещение вольт-З фарадных характеристик при измерениях смещающего напряжения 2 I.

Недостатками этого устройства. являются ограниченная точность и низкое быстродействие, обусловленные 40 необходимостью вести вручную обработку полученных характеристик.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения характеристик 5

ИДП-структур, содержащее генераторы тестового сигнала и пилообразного напряжения, присоединенные выходами к одной »з шин для подключения исследуемой структуры, другая шина которой соединена с измерительным резистором и через усилитель измерительного сигнала с первым входом схемы сравнения, подключенной вторым нходом к выходу блока установки опорного напряжения, а своими выходом — к входам управления двух схем измерения и фиксации напряжения, измерительные входы которых соединены со вторым выходом генератора пилообразного напряжения, входом синхронизации подключенного к первому выходу блока обработки и отображения информации, включающего соединенные между собой схемы обработки и отображения, два входа которого б5 присоединены к выходам схем измерения и фиксации напряжения. В качестве схем обработки и отображения в нем используются схема вычитания с цифровым вольтметром и двухкоординатный самописец t3).

Известное устройство позволяет повысить точность измерений гистерезисных характеристик структур за счет обеспечения возможности фиксации напряжений, пропорциональных величине емкости на разных склонах пилообразного напряжения смещения, и их регистрации.

В качестве недостатков известного устройства следует отмети — ü его н»экое быстродействие. В связи с тем, что качество МДП-структуры (определяемое релаксациеи емкости в инверсии„ релаксацией емкости в обеднении, релаксацией емкости в обогащении и т.д,) оценивается по гистереэисным характеристикам, то необходимо производить большое количество измерений, по которым выполняются графоаналитическое построение и анализ, что весьма трудоемко.

Цель изобретения — повышение быстродействия за счет обеспечения нозможносTH > p eH» DIIopHbIM напряжением и накопления результатов измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения характеристик МДП-структур, содержащем генераторы тестового сигнала и пилообразного напряжения присоединенные выходами к одной из шин для подключения исследуемой структуры, другая шина которой соединена с из мерительным резистором и через усилитель измерительного сигнала с первым входом схемы сравнения, подключенной вторым входом к выходу блока установки опорного напряжения, а своим выходом — к входам управления двух схем измерения и фиксации напряжения, измерительные входы которого соединены с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, входом синхронизации подключенногo к первому выходу блока обработки и отображения информации, включающего соединенные между собой схемы обработки и отображения, два входа которых присоединены к в@ходам схем измерения и фиксации напряжения, блок установки опорного напряжения выполнен н ниде последовательно соединенных регистра первой схемы И, сумматора, нторой схемы И, цифро-аналогового преобразователя, выход которого является: выходом блока установки опорного напряжения и из двух элементов эадерж) ки схемы измерения и фиксации напряжения снабжены синхронизирующими входами, соединенными с входом синхронизации генератора пилообразного

1030747 напряжения, а в блок обработки и отображения информации дополнительно введена схема накопления, информационные входы которой являются входами этого блока, ее первый выход соединен с дополнительным входом первой схемы И и входом первого .элемента задержки, а второй выход подключен к второму входу схемы обработки, управляющий вход которого соединен с вторым входом сумматора и входом второго элемента задержки, выход которого подключен к второму входу сумматора, причем выход первого элемента задержки соединен с вторым входом схемы И, а второй выход схе- 15 мы обработки соединен с третьим входом схемы накопления.

Такое построение устройства позволяет в едином цикле оперативно произвести измерение полной гисте- 70 резисной нольтфарадной характеристики путем измерения величины опорного напряжения по окончании каждого периода измерений и накопления результатов измерений для последующего визуального отображения и обработки.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, на фиг. 2 и 3 — зпюра смещающего напряжения и гистерезисная характеристика соответственно.

Устройство содержит генератор 1 тестового напряжения, усилитель 2 измерительного напряжения, шины для подключения исследуемой структуры 3 с последовательно включенным резистором 4, генератор 5 смещающего пилообразного напряжения, схему б сравнения, схемы 7 и 8 измерения и фиксации напряжения с емкостными накопителями 9 и 10, блок 11 обработки и отображения информации, состоящий 40 из схемы 12 накопления, схемы 13 отображения информации и схемы 14 обработки информации, блок 15 установки опорного напряжения, состоя" щий из первого элемента 16 задержки сигналов, регистра 12, первой схемы И 18, сумматора 19, второй схемы И 20, цифроаналогового преобразователя 21 и второго элемента

22 задержки. 50

Входы генераторов 1 и 5 соединены с исследуемой структурой 3, а измерительный резистор 4 соединен через усилитель 2 .с входом схемы б сравнения второй вход которого соединен с выходом блока 15. Входы схемы б сравнения и генератора 5 соединены соответственно с синхронизирующими и измерительными входами схем 7 и 8 измерения и фиксации напряжения с емкостными накопителями 9 и 10. Выходы схем 7 и 8 соединены с входами схемы 12 накопления, выход которого соединен с дополнительным входом блока установки опорного напряже-" ния 15 ° Выходы и входы схемы 14 65 обработки соединены с соответстнуюшими входами и выходами схемы 12 накопления, входами и выходами схемы

13 отображения информации, с дополнительным выходом блока 15 установки опорного напряжения, соответствующими входами генератора 5 и измерительных схем 7 и 8.

Все элементы устройства устананлинаются в исходное состояние. Это осуществляется либо отдельной кнопкой, либо сигналом от схемы 14 обработки по соответствующим цепям, которые не показаны на фиг. 1. С нажатием кнопки "Начало измерений" в схеме 4 при ручном запуске или по программе этой схемы из нее поступает сигнал в схему 12 накопления для установки начального адреса записи результатов измерений. С схемы 12 поступает сигнал на первую схему И 18, в результате чего код, набранный на кнопочном регистре 17, заносится на сумматор 19. Сигнал от схемы 12, задержанный первым элементом 16, поступает на вторую схему

И 20. Код с сумматора 19 при этом передается в регистр цифро-аналогового преобразователя ЦАП 21, который вырабатывает первую ступень опорного напряжения, подаваемого на один из входов схемы б сравнения.

Элемент, сумматор 19, схема 20, элемент 22 могут отсутствовать, если регистр преобразователя 21 выполнен в виде сумматора.

Сигнал со схемы 14 приводит н исходное состояние схемы 7 и 8 измерения и фиксации напряжения, а также поступает на запуск генератора смещающего напряжения 5. Смещающее напряжение (фиг. 2 ) подается на измеряемую структуру 3 совместно с тестовым сигналом or генератора 1, например, с частотой 35 МГц. Ток, протекающий через МДП-структуру, пропорционален ее емкостному импедансу, создает на резисторе 4 напряжение, пропорциональное емкости структуры. Амплитуда переменной составляющей сигнала на регистре 4 отображает изменение емкости МЛП-структуры н зависимости от величины напряжения смещения. Сигнал с резистора

4 после усиления и детектирования н усилителе 2 поступает на один из входов схемы б сравнения, на другой вход которой подается опорное напряжение.

В момент равенства входных напряжений схемой б сравнения нырабатынаются стробирующие импульсы соответственно по переднему время фиг. 2) и по заднему (время д фиг. 2) фронтам смещающего напряжения. Стробирующие импульсы подао ются затем на схемы 7 и 8 измерения и фиксации величины смещающего

1030747 t0

15 напряжения, на вторые входы которых подается смещающее напряжение.

В момент подачи стробирующего импульса на схему 7 накопитель 9 заряжается до величины мгновенного значения смещающего напряжения 5

®,фиг. 2 ). После прекращения действия стробирующего импульса накопленное напряжение на накопителе 9 преобразуется аналого-цифровым пре. обраэователем, входящем в схему измерения смещающего напряжение, в цифровую форму .и подается на вход схемы накопления информации 12.

Аналогично происходит измерение смещающего напряжение по заднему фронту (О, фиг. 2).

После передачи кодов измеренных значений смещающего напряжения Uq, 0 в схему 12 подается импульс напряжения с схемы 14 обработки ин-. формации1 который вырабатывает затем сигнал в схему 12, для изменения адреса записи следующих значений.смещающего напряжения. Одновременно схема 12 вырабатывает импульс напряжения, подаваемый на

1-ю схему И 18,икод, набранный на кнопочном регистре 17, поступает в сумматор 19, где складывается с предыдущим значением, а затем заносится через открытую вторую схему И 20 в регистр ЦАП 21.Таким образом, код, набранный на кнопочном регистре 17, определяет шаг изменения опорного напряжения, причем этом изменение может осущест*- З5 вляться как в сторону увеличения,, так и и сторону уменьшения опорного напряжения.

После окончания периода измерения импульс с выхода схемы 14 подается для установки начального состояния измерительных схем 7:: 8 разряд емкостей накопителя 10 и 9), а также на вход генератора смещающего напряжения 5 для осуществления начала нового второго) периода измерений, Измерения будут производиться до тех пор, пока опорное напряжение не изменится от минимального до максимального возможного значения. Число измерений в цикле зависит от шага изменения опорного напряжения. Признаком окончания всего цикла измерений является переполнение сумматора 19, после чего через второй элемент 22 задержки, сумматор 19 устанавливается в нулевое состояние и одновременно сигнал поступит в схему 14, информируя об окончании цикла измерений.

Результаты измерений из блока 12 поступают в схему 14 обработки, откуда при необходимости могут подаваться в схему 13 отображения информации.

Соответствие величины максимального значения опорного напряжения максимальному значению тестового сигнала, пропорционального максимальному значению емкости МДП-структуры, устанавливается путем изменения коэффициента усиления измерительного усилителя 2

Практическое использование предложенного устройства (как показали исследования ) позволяет повысить быстродействие измерительного процесса в 20-30 раз и расчетного процесса в 50-100 раэ по сравнению с известным устройством.

1030747

v„a

Составитель Ю.Брызгалов

Редактор Н.Лазаренко Техред М.Тепер Корректор A,Èëüèí

Заказ 5206/46 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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

yr

1 2 Оиг. 2

С,лФ 0Ï ОЛ

V2 V,8

Фиг 5