Устройство для измерения c-g-v-характеристик мдп-структур

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения характеристик МДП-структур в процессе их производства. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства - достигается тем, что устройство позволяет дополнительно измерять сопротивление утечек МДП-структуры. Устройство содержит блок 1 управления, источник 2 опорного напряжения, опорный конденсатор 3, операционный усилитель 4, клеммы для подключения исследуемого объекта 5, программируемый источник 6 смещения, разделительный конденсатор 7, вычитатели 8, 17 и 26 напряжений, управляемые делители 9 и 13 напряжения, источники 10 и 28 управляющего напряжения, нуль-органы 11 и 27, пиковые детекторы 12 и 15, блок 4 измерения постоянной времени, блоки 16 и 25 измерения установившегося значения напряжения, блок 18 сравнения, ключ 19, фильтр 20 нижних частот, коммутатор 21, самописец 22, инвертирующий управляемый делитель 23 напряжения, опорный резистор 24. 1 ил.

Изобретение касается контрольно-измерительной техники и может быть использовано для осуществления контроля качества полупроводниковых структур, например МДП-структур в процессе их производства. Цель изобретения расширение функциональных возможностей устройства для измерения C-G-V-характеристик МДП-структур. Это достигается тем, что устройство позволяет дополнительно измерять сопротивление утечек МДП-структуры. Структурная схема устройства приведена на чертеже. Устройство содержит блок управления 1, источник 2 опорного напряжения, опорный конденсатор 3, операционный усилитель 4, клеммы для подключения исследуемого объекта 5, программируемый источник 6 смещения, разделительный конденсатор 7, первый вычитатель напряжений 8, первый управляемый делитель напряжения 9, первый источник 10 управляющего напряжения, первый нуль-орган 11, первый пиковый детектор 12, второй управляемый делитель 13 напряжения, блок 14 измерения постоянной времени, второй пиковый детектор 15, первый блок 16 измерения установившегося значения напряжения, второй вычитатель напряжений 17, блок сравнения 18, ключ 19, фильтр нижних частот 20, коммутатор 21, самописец 22, инвертирующий управляемый делитель напряжения 23, опорный резистор 24, второй блок 25 измерения установившегося значения напряжения, третий вычитатель напряжения 26, второй нуль-орган 27, второй источник 28 управляющего напряжения. При этом блок 1 управления своим первым выходом соединен с входом синхронизации источника 2 опорного напряжения, вторым выходом с входом управления программируемого источника смещения 6, третьим выходом с входами синхронизации блоков 16 и 25 измерения установившегося значения напряжения, четвертым выходом с входами синхронизации первого и второго пиковых детекторов 12 и 15, пятым выходом с пусковым входом первого источника 10 управляющего напряжения, шестым выходом с первым входом второго источника 28 управляющего напряжения. Кроме того, выход источника 2 опорного напряжения через опорный конденсатор 3 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого через разделительный конденсатор 7, исследуемый объект 5 соединен с инвертирующим входом 4. Выход его также соединен с первым входом первого вычитателя напряжений 8, второй вход которого соединен с выходом первого управляемого делителя напряжения 9, выход операционного усилителя 4 соединен также с входом инвертирующего управляемого делителя напряжения 23, выход которого через опорный резистор (R₀) 24 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 4. Выход программируемого источника смещения 6 соединен с исследуемым объектом 5 и входом X самописца 22. Выход первого вычитателя напряжений 8 соединен с входами первого пикового детектора 12, второго управляемого делителя напряжения 13, второго блока измерения установившегося значения напряжения 25, блока измерения постоянной времени 14, первого нуль-органа 11, выход которого соединен с входом остановки первого источника 10 управляющего напряжения. Выход последнего соединен с управляющим входом первого управляемого делителя напряжения 9 и первым входом коммутатора 21, а вход первого управляемого делителя напряжения 9 подключен к выходу источника опорного напряжения 2. Выход первого пикового детектора 12 соединен с вторым входом коммутатора 21, первым входом блока сравнения 18 и первым входом третьего вычитателя напряжений 26. Выход второго управляемого делителя напряжения 13 подключен к входам второго пикового детектора 15 и первого блока измерения установившегося значения напряжения 16, выход последнего подключен к первому входу второго вычитателя напряжений 17 и третьему входу коммутатора 21. Выход второго пикового детектора 15 соединен с входом ключа 19 и вторым входом второго вычитателя напряжений 17, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения 18, выход которого соединен с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения 13. Выход второго блока измерения установившегося значения напряжения 25 соединен с вторым входом третьего вычитателя напряжений 26, выход которого через второй нуль-орган 27 подключен к входу остановки второго источника управляющего напряжения 28. Выход последнего соединен с управляющим входом инвертирующего управляемого делителя напряжения 23 и пятым входом коммутатора 21. Выход блока измерения постоянной времени 14 подключен к управляющему входу ключа 19, выход которого через фильтр нижних частот 20 соединен с четвертым входом коммутатора 21, выход которого подключен к входу Y самописца 22. Работает устройство следующим образом. Источник опорного напряжения 2 вырабатывает опорное напряжение в виде двуполярных прямоугольных импульсов амплитудой E₀. При этом в течение одного из полупериодов выходное напряжение операционного усилителя 4 в операторной форме имеет вид U_оу где Z_МДП(P) сопротивление МДП-структуры в операторной форме без учета сопротивления потерь R_п; C_о емкость опорного конденсатора; R_о сопротивление потерь МДП-структуры; C1 емкость диэлектрика МДП-структуры; C3 емкость обедненного полупроводникового слоя МДП-структуры; C2 и R емкость и сопротивление, связанные с поверхностными состояниями и зависящие от поверхностного потенциала МДП-структуры; R_о сопротивление опорного резистора; K_пудн коэффициент передачи инвертирующего управляемого делителя напряжения 23. В течение другого полупериода напряжение на выходе операционного усилителя 4 имеет противоположную полярность. По команде блока управления 1 программируемый источник смещения 6 подает на исследуемый объект 5 такое напряжение, которое вводит МДП-структуру в режим обогащения (это напряжение должно быть положительным для структуры n-типа и отрицательным для структуры p-типа). В режиме обогащения емкость C3 обедненного слоя полупроводника настолько велика, что емкость МДП-структуры практически равна емкости диэлектрика. Следовательно, в режиме обогащения при C3>C1 напряжение на выходе операционного усилителя 4 в операторной форме будет иметь вид

Переходя к оригиналу, получим

При этом на выходе первого вычитателя напряжений 8 будет сигнал, описываемый выражением

где K_удн1 коэффициент передачи первого управляемого делителя напряжения. В момент времени t= 0 первый пиковый детектор 12 зафиксирует экстремальное (за полупериод опорного сигнала) значение напряжения на выходе измерителя 8.
В конце полупериода тестового сигнала выходное напряжение вычитателя напряжений 8 фиксируется вторым блоком 25 измерения установившегося значения напряжения,

где T период сигнала с выхода источника 2. По команде блока управления 1 второй источник управляющего напряжения 28 подает на управляющий вход инвертирующего управляемого делителя напряжения 23 управляющее напряжение, медленно изменяющееся до тех пор, пока напряжение на выходе третьего вычитателя напряжения 26

не станет равным нулю. Это случится при

т.е. при
. Таким образом, коэффициент передачи инвертирующего управляемого делителя напряжения 23 становится пропорциональным сопротивлению потерь МДП-структуры. Напряжение на выходе второго источника управляющего напряжения 28 будет также пропорционально сопротивлению потерь МДП-структуры. Момент равенства U_ВНЗ= 0 зафиксирует нуль-орган 27 и остановит второй источник управляющего напряжения 28, который прекратит изменение своего выходного напряжения, оставив его на уровне, при котором До конца цикла измерения это напряжение остается неизменным и подается на один из входов коммутатора 21. При этом с учетом того, что напряжение на выходе операционного усилителя 4 в операторной форме будет иметь вид
U_оу(P)=-E_оC_оZ_МДП(p). Подставляя значение Z_МДП(p), получим

Переходя к оригиналу, получим

Однако в режиме обогащения емкость C3 обедненного слоя полупроводника настолько велика, что емкость МДП-структуры практически равна емкости диэлектрика, следовательно, на выходе первого вычитателя напряжения 8 будем иметь

По команде блока управления 1 первый источник управляющего напряжения 10 подает на управляющий вход первого управляемого делителя напряжения 9 управляющее постоянное напряжение, медленно меняющееся до тех пор, пока первый нуль-орган 11 не зафиксирует на выходе первого вычитателя напряжения 8 нулевое значение напряжения

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

Постоянное управляющее напряжение на входе первого управляемого делителя напряжения, пропорциональное значению его коэффициента передачи через коммутатор 21, подается на самописец 22. На протяжении всего цикла измерения параметров исследуемого образца МДП-структуры значение K_УДН1 не изменяется. Далее по команде блока управления 1 программируемый источник смещения 6 выводит исследуемую МДП-структуру из режима обогащения. При различных напряжениях смещения значение емкости диэлектрика C1 останется неизменным, поэтому

Первый пиковый детектор 12 фиксирует экстремальное (за полупериод опорного сигнала) значение напряжения
,
которое подается на самописец 22 через коммутатор 21. Выходное напряжение первого вычитателя напряжений 8 масштабируется вторым управляемым делителем напряжения 13 и подается на входы второго пикового детектора 15 и первого блока измерения установившегося значения напряжения16. Их выходные напряжения

подаются на входы второго вычитателя напряжения 17, выходное напряжение которого

Это напряжение сравнивается блоком сравнения 18 с напряжением, снимаемым с выхода первого пикового детектора 12,

В случае неравенства напряжений U_ВН2 и U_ПД1 сигналом рассогласования с выхода блока сравнения 18 изменяется коэффициент передачи второго управляемого делителя напряжения 13 до тех пор, пока не будет достигнуто равенство

Это произойдет при

Выходное напряжение первого блока измерения установившегося значения напряжения 16

подается через коммутатор 21 на самописец 22. Выходное напряжение второго пикового детектора 15

через ключ 19 поступает на фильтр нижних частот 20. Блок измерения постоянной времени 14 определяет постоянную времени экспоненциально изменяющегося напряжения на выходе первого вычитателя напряжений, преобразуя значение постоянной времени этого напряжения в длительность импульса

Выходное напряжение блока измерения постоянной времени 14 подается на управляющий вход ключа 19, открывая его на время действия импульса Δt_τ
На выходе ключа формируются прямоугольные импульсы амплитудой U_ПД2 и длительностью Dt_τ Вольтсекундная площадь этих импульсов равна
S_кл = U_пд2Δt_τ = E_oC_oR.
Фильтр нижних частот находит среднее значение напряжения на выходе ключа 19 (пропорциональное S_кл). Выход фильтра нижних частот 20 через коммутатор 21 подключается к самописцу 22. Таким образом, на самописце выводятся постоянные напряжения, пропорциональные текущим значениям параметров всех элементов пятиэлементной схемы замещения МДП-структуры в зависимости от напряжения смещения. При смене режимов работы в схеме не производится никаких перекоммутаций.

Формула изобретения

Устройство для измерения C-G-V характеристик МДП-структур по авт. св. N 1000946, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, оно снабжено инвертирующим управляемым делителем напряжения, опорным резистором, вторым блоком измерения установившегося значения напряжения, третьим вычитателем напряжений, вторым нуль-органом, вторым источником управляющего напряжения, при этом вход инвертирующего управляемого делителя напряжения подключен к выходу операционного усилителя, инвертирующий вход которого через опорный резистор соединен с выходом инвертирующего управляемого делителя напряжения, управляющий вход которого подключен к пятому входу коммутатора и выходу второго источника управляющего напряжения, первый вход которого соединен с шестым выходом блока управления, третий выход которого соединен с входом синхронизации второго блока измерения установившегося значения напряжения, сигнальный вход которого соединен с выходом первого вычитателя напряжений, а выход с первым входом третьего вычитателя напряжений, второй вход которого подключен к выходу первого пикового детектора, выход третьего вычитателя напряжений через второй нуль-орган соединен с вторым входом второго источника управляющего напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1