Устройство для измерения подвижности носителей тока в полупроводниках
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Сеюз COOOTCNNL
Социалистических
Республик
Р М К з G 01 R 31/26 с присоединением заявки Мо Государствеииый комитет СССР яо делам изобретений и открытий (23) Приоритет(ЗЗ}УДК 621. 382..2(088.8) Опубликовано 301182, бюллетень No 44 Дата опубликования описания 30.1182 Л.A. Галкин, Ю.A. Скрипник, Л.A. Глазко B.;" :,-:,,-,, и В.И. Водотовка ) ;..."\ ! f 1 (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЯСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОДВИЖНОСТИ НОСИТЕЛЕИ ТОКА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Изобретение относится к контролю параметров полупроводников и может быть использовано для контроля электрофизических свойств ИПД вЂ” структур различных полупроводников, поли5 меров и диэлектрических пленок.. Известны устройства для измерения подвижности носителей тока в полупроводниках. 10 Известно устройство, которое содержит генератор переменного напряжения, двигатели частоты, обмотку электромагнита, усилители, фильтры и регистратор. Его работа основана на измерении проводимости образца, изменяющейся под действием магнитного поля (13. Недостатком такого устройства является невысокая точность измерения подвижности и отсутствие возможности измерения угловой составляющей комплексной подвижности. Известно также устройство, содержащее высокочастотные генераторы, смеситель, низкочастотный и высо- 25 кочастотный фильтры, избирательный усилитель, амплитудный детектор и регистратор. Оно позволяет измерять подвижность носителей тока путем измерения проводимости образца, из- З0 меняющейся под действием эффекта поля, приложенного к образцу (21. Недостатками этого технического решения являются низкая чувствитель ность к изменению величины эффективной подвижности в диапазоне час-тот, большая погрешность, обусловлеиная непосредством напряжения генераторов в полосе частот и невозможность изменения фазы подвижности носителей тока при перестройке частоты. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения подвижности носителей тока в полупроводниках, содержащее два генератора опорных частот, выходами подключенных ко входам балансного смесителя, выход которого соединен со входами фильтров верхних и нижних час- . тот, генератор частоты коммутации, выход- которого подключен к управляющему входу автоматического коьеаутатора, соединенного выходом со входом широкополосного усилителя, переключатель, клемма для подключения одного полевого и двух торцовых электродов исследуемого образца, одна из клемм для подключения торцового электрода соединена с выходом генератора первой опорной частоты, другая подклю978083 чена к первому выводу измерительного резистора, соединенного другим выводом с общей шиной, а также подключена через избирательный усилитель ко входу первого амплитудного детектора, и соединены последовательно уси- 5 литель частоты "коммутации, синхронный детектор и регистрирующий прибор, вход управления синхронного детектора подключен к выходу генератора частоты коммутации l3). (o Недостатком этого устройства является то, что оно имеет ограниченные функциональные возможности, так как не позволяет измерять в диапазоне частот изменение фазы подвижности носителей тока. Цель изобретения — расширение функциональных воэможностей устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения подвижности носителей тока в полупровОдниках,,содержащее два генератора опорных частот, выходами подключенных ко входам балансного смесителя, выход которого соединен со входами фильтров верхних и нижних частот, генератор частоты коммутации, выход которого подключен к управляющему входу автоматического коммутатора, соединенного выходом со входом широкополосного усилителя, переключатель,з0 клеммы для подключения одного полевого и двух торцовых электродов исследуемого образца, одна из клемм для подключения торцового электрода соединена с выходом генератора первой опорной частоты, другая подключена к первому выводу измерительного резистора, соединенного другим выводом с общей шиной, а также подклю-. чена через избирательный усилитель 40 ко входу первого амплитудного детектора, и соединенные последовательно усилитель частоты коммутации, синхрон- ный детектор и регистрирующий прибор, вход управления синхронного детекто- 45 ра подключен к выходу генератора частоты коммутации, введены два фазо вращателя, аттенюатор, второй амплитудный детектор, амплитудный ограничитель и два Фазовых детектоРа, причем фазовращатели включены.последовательно между выходом фильтра нижних частот и одним иэ входом автоматичес- кого коммутатора, другой вход которого соединен с выходом фильтра верхних частот через аттенюатор, амплитудный огранйчитель подключен к выходу избирательного усилителя, а выходом — к одному иэ входов первого фазового детектора, другой вход которого соединен с выходом генератора второй опор- ной частоты, входы второго фазового детектора соединены с выходами балансного смесителя и широкополосного: усилителя соответственно, второй амплитудный детектор .также подключен 65 к выходу широкополосного усилителя, соединенному с клеммой для подключения полевого электрода исследуемого образца, входы переключателя соедииены, соответственно, с выходами перного и второго амплитудных детекторов, и выходами первого и второго фазовых детекторов, а его выход подключен ко входу усилителя частоты коммутации . Предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями по сравнению с .известным, так как позволяет помимо модуля под,вижности носителей тока измерять также и изменение фазы подвижности в широком диапазоне частот. На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства. Устройство для измерения подвижности носителей тока в полупроводниках содержит два генератора опорной частоты 1 и 2, выходами подключенных ко входам балансного смесителя 3, выход которого соединен со входами фильтров верхних 4 и нижних 5 частот, генератор б частоты коммутации, выход которого подключен к управляющему входу автоматического коммутатора 7, соединенного со входом широкополосного усилителя 8, переключатель клеммы для подключения электродов исследуемого образца 9, одна из которых соединена с выходом генератора первой опорной частоты, другая подключена к первому выводу измерительного резистора 10, соединенного другим выходом с общей шиной, а также подключена через избирательный усилитель 11 ко входу первого амплитудного. детектора 12, и соединенные последовательно усилитель 13 частоты коммутации, синхронный детектор 14 и регистрирующий прибор 15, вход управления синхронного де- тектора подключен к выходу генератора частоты коммутации, в которое введены два фазовращателя 1б и 17 аттенюатор .18, амплитудный ограничитель 19, два фазовых детектора и второй амплитудный детектор, причем фазо- вращатели включены последовательно между выходом фильтра нижних частот и одним иэ входов автоматического коммутатора, другой вход которого соединен с выходом фильтра верхних . частот через аттенюатор, амплитудный ограничитель подключен входом к выходу избирательного усилителя, а выходом — к одному из входов первого фазового детектора 20, другой вход которого соединен с выходом генератора второй опорной частоты, входы второго фазового детектора 21 соединены с выходом балансного смесителя широкополосного усилителя соответственно, второй амплитудный детектор 22 также подключен к выходу широкополосного усилителя, соединенному с 978083 10 клеммой для подключения полевого электрода исследуемого образца, входы переключателя 23 соединены с выходами первого и второго амплитудных детекторов и с выходами первого и второго фазовых детекторов, а его выход подключен ко входу усилителя . частоты коммутации, Устройство работает следующим образом. Сигналы перестраиваемых генераторов 1 и 2 опорных частот Uq = U „(cos up< t - Ч„) (1) U (СОЯ a«)2t - Ч2 ), 15 2 где Um 0()) и Ч.„Ч2- соответственно амплитуды и начальные фазы исходных сигналов, смешиваются балансным смесителем 3 uÚ-От ot(1- 2)аФЧ вЂ” Ч2)+жВ((щ1+м28 + Ч„ 2), - (2) где U,„: = 2 $ .Ц))п. 0 ) - амплитуда Х результйрующего сигнала; Я„, - крутизна характеристики балансного смесителя е С помощью фильтра 4 высоких частот выделяют сигнал суммарной частоты 04 0 ) соэ ((о).)+ ю2)1+Ч.(+ ЧД> (3 ) а фильтром нижних частот вйделяют разностный сигнал U< = U ° cos ((ю - w )t 4Ч„-ЧД4) Частоты м, и м регулируют так, чтобы разностная частота ю = Ы„ — ы оставалась постоянной, а суммарная частота ы = ы + («) изменяласв в рабочем диапазоне частот контролируе- 40 мого образца проводникового материала. Из гармонических сигналов раэностной и суммарной частот путем поочередной коммутации с низкой частотой .a, задаваемой коммутационным генератором б (Я « («>р ), на выходе автоматического переключателя 7 формируют пакеты сигналов раэностной и суммарной частот« следую 50 щих поочередно, которые используют для создания поперечного электрического поля образца. Тянущее электрическое поле образца образует один иэ исходных сигналов, например Us.<< причем предварительно фазу сигнала раэностной частоты регулируют фазовращатели 1б и 17, амплитуду сигнала суммарной частоты - аттенюатор 18. K выходу переключателя 7 подключен широкополосный усилитель 8, определяющий необходимый уровень напряженности поперечного электричес-. кого поля в контролируемом образце 9. Выход широкополосного усилителя 8 подключен к входной клемме и кон- 6> тролируемого образца, соединенной с полевым электродом. Входная клемма 6, соединенная с одним торцовым электродом контролируемого образца, подключена к выходу генератора 1, сигнал которого создает гармоническое текущее поле образца. Поперечное электрическое оле вызывает модуляцию проводимости полупроводника, которая при малых уровнях сигналов является гармонической, соответственно", на разностной и суммарной частотах G=Gо 4G(«ор)cos j(„-и ) +Ч -q -Ч (5) О + hG ((«)с) СО З E(e 2) t+ Ч., ч Ч + +)()6 ) где Go. - среднее значение проводимости образца; ь0(шр), ьС(cvc) - максимальное значение изменений проводимости образца соответственно на разностной и суммарной частотах: Мр, Ч вЂ” фазовые сдвиги полной проводимости образца относительно пере (енного поля соответственно на раэностной и суммарной частотах. Совместное действие поперечного и тянущего полей вызывает в образце направленное движение носителейэлектрический ток, меняющийся от значения i> до i6 соответственног 1 =t) соБ (О 1+ч) — (e бдь(ш ) сОВ((Ю ul )te -е „ с g 60(p) )cos(м21+Ч2+Ч +Ч ) соз(2(«ф- . -ж д+2ч„ te-ve-ч ц) (1 )б 04 cos (m„t+ Ч„) 6 inG (шс)софе +"Ц + 1 Ч +Ч+Ч =Ч Ц= U tG соз(ш„ +Ч„) -В6(и Д)(c, q=g ш„ о «/cos (m2t+ V2- V4- Vс )+ cos(2w 4+(o2t+ 2V„+9<- ч,-ч, Щ, (s) где а, E — соответственно ширина и длина образца, Чз, Ч вЂ” фазовые углы соответственно фильтров нижних и верхних частот с учетом соединенных цепей. Из (7) и (8) следует, что в значениях тока образца ig и i присутствуют однозначные составляющие 1 = уу U> аС(() )соз(() t+V Ч Чр)(9) — д U(t, лС(но ) cos(u) t+V -Ч4-Чс) (10) С учетом значений полной подвиж ности носителей тока на разноатной частоте jk (wp) и суммарной частоте ((),) 46 (щ„) )t(u>e) /" ("р) e. 68 (и р) 978083 дЯ(щ ) »а(ы» -.,са(а3а).а dQ (юс) где ьЯ((а»(»), ь(а((ш)- соответса(венно полные изменения индуцированных заря- . дов на тех же частотах, а также с учетом значений амплитуд индуцированных зарядов. а|(uip)=CU»»» С - 0» U»»» (11) 4Т»,»»7» 10 где С - емкость конденсатора, составленного полевым электродом и образцом, получают следующие соотнснпе ния: 4G(Wp)= (Cup) 6(((»р)., ((аа ). C Р р 2 m„„п =ф (ыр)с э (3) Ь4(,) = P(Mc,)-ü@(îc,),è(М ).С вЂ” О и S а hi% me =,и(Ш ) CUq С учето((13 ) и (14) амплитудй одночастотных составляющих токов про,порциональны подвижностям носителей зарядов на разностной и суммарной частотах „,(„, „ + зо ас$ Ф +Чъ+М,) (1Б) л. »(»(шс) р- Un» U»»» cps (д +Ц у (acSq Зз 4 с (16) Таким образом, полная подвижность носителей тока характеризуется одночастотным (на частоте о )током перио(40 дически с частотой коммутации Я меняющимся во времени от значения ° » ° I до 1ь, т. е. представляется одним модулированным сигналом k„E(-msignsin t)cos(au 4Ч = Чр+Ч + з+, — индекс фазовой модуляции, равный сумме фазовых углов тока контролируемого образца (Ч - Ч ), и фильтров с соединитель6S 1 у- signkinQ t) ФМ (1 7) (»»5 где» вЂ”вЂ” а- а аг.»»,еа ((е»(((lii » - р (w )) среднее значение модулированного тока, (» (UJ@)»и (w ) 7 + Q )((.(и» )+p. и ») 5 6 коэффициент глубины амплитудной модуляции, Ч., — среднее значение фазы Ч-Ч Ч -Ч модулированного тока Ч, 3 + Р с 4О 1 2 и (V3 i 9z) в диапазоне частот от u)<4, signsin&t - прямоугольная огибающая модулированного сигнала. Выходная клемма Ъ контролируемого образца, соединенная с другим( торцовым электродом, подключена к низкоомному резистору 10, падение напряжения на котором усиливается избирательно на частоте ю усилителем 11 и детектируется по амплитуде. Переменное напряжение частоты коммутации, выделенное при детектировании, пропорционально глубине амплитудной модуляции. После избирательного усиления на частоте коммутации и синхронного с частотой коммутации детектирования получают постоянное напряжение на выходе синхронного де. тектора 14. =S,V О Ьр, где К<. - коэффициент избирательно:го усиления; S< — чувствительность PCS,S ККК детектирования;Q = " чувст- О- 8Р вйтельность результирующего преобразования,(»/ =ф(й» )-»(р((»рФ- частотное изменение модуля подвйжности носителей тока контролируемого образца. Падение напряжения на измерительном резисторе 10, отфильтрованное и усиленное усилителем 11, ограничивают по амплитуде в амплитудном ограничителе 19 и получают 0 =0„ebs(ui U 0м у- = signs in Q.t .(19) ЬФ ,цля исключения .из результата (19) величины фазового набега в фильтрах и соединительных цепях Чз, %4 трактов сигналов разностной и суммарной частот и нелинейности фазочастотной характеристики усилителя 8 введен фазовый детектор 21, один вход кото-. рого соединен с выходом балансного смесителя 3, а другой вход — с выходом усилителя 8, выход — с одним из входов переключателя 23 (положение IV). Фазовую компенсации проводят в отсутствие контролируемого 978083 10 образца введением дополнительной фаэовой задержки в тракте сигнала разностной частоты с помощью одного иэ фаэовращателей, например 16, до биваясь, чтобы Us = О, при том bY = э+ V4 - Vo 0, rpe Vo э+ значение дополнительной фаэовой задержки. Для исключения иэ результата (19) начального фазового угла Ч + Ч на частоте м „ при включенном контроли- 10 руемом образце вводят дополнительную фазовую задержку сигнала Чо другим фаэовращателем 17, чтобы U> = 0 на начальной частоте ы частотного диапазона шс„ - М с2 U<=U (4 р Мс - ч ) signsinQ t =0(20) 9 Фв р с1 при этОм Чо = Ур + У (21) На частоте ы отличающейся от значения ыс, индекс фазовой модуля1 ции получает приращение в, которое, с учетом условия (21) равно приращению фазы подвижности носитеmeA тока контролируемого образца на данной частоте ыс относительно ыс„. ьчю= Чр + Vc -МЬ + Ч,. (22) Выходное напряжение фазового детектора на частоте ыс равно Uc = 0„, М signsina.t, (23) 2 п С2, откуда видно, что оно пропорционально измеряемому приращению фазы от час-35 тоты и может служить информационным параметром предлагаемого измерительного устройства. Амплитуда напряжения U = const в диапазоне огра э ничения входного сигнала фазового де- 4О тектора. Измерение с помощьв предлагаемого устройства проводят в следующем порядке. В отсутствие образца 9 переключатель 23 устанавливают в положение III и выводят фазовращатели 16 и 17 в нулевое положение. Регулируют частоты генераторов 1 и 2 так, чтобы суммарная частота соответствовала началу частотного диапазона контролируемого образца. Регулировкой аттенюатора 18 добиваются равенства коэффициента передачи каналов разностной и суммарной частот ПО нулевому 55 показанию выходного прибора 15. Переключатель 23 устанавливают в положение IV. Регулировкой фазовращателя 16 добиваются равенства фазовых задержек в каналах разностйой и суммарной частот по нулевому показанию выходного прибора 15 ° Присоединяют контролируемый образец ко входным клеммам а и б и к выходной клемме в. Переключатель устанавливают в положение II. Показа- 65 ния выходного прибора 15 пропорциональны начальному фаэовому углу подвижности контролируемого образца на начальной частоте рабочего диапазона. Компенсацией этого фазового угла вводят фаэовращатель 17, добиваясь нулевого показания выходного прибора 21. Перестраивая частоты генераторов 1 и 2 так, чтобы разностная частота оставалась постоянной, а суммарная изменялась в рабочем диапаэоне частот контролируемого полупроводника, по прибору 15 отсчитывают значения приращений фазового угла подвижности в заданной полосе частот. Измерение частотных изменений модуля подвижности проводят в положении 1 переключателя 23. Возможность независимого измерения изменений модуля и фазы подвижности в широком диапазоне частот позволяет определить влияние неосновных носителей на устойчивость частотных параметров, характер реактивности образца и представить его эквивалентную схему, а также получить значения мгновенных подвижностей и т. д. на фиксированных частотах. Формула изобретения Устройство для измерения подвижности носителей тока в полупроводниках, содержащее два генератора опорйых частот, выходами подключенных к входам балансного смесителя, выход которого соединен с входами фильтров верхних и нижних частот, генератор частоты коммутации, выход которого подключен к управляющему входу автоматического коммутатора, соединенного выходом с входом широкополосного усилителя, переключатель, клеммы для подключения одного полевого и двух торцовых электродов исследуемого образца, одна из клемм для подключения торцового электрода соединена с выходом генератора первой опорной частоты, другая подключена к первому выводу измерительного резистора, соединенного другим выводом с общей шиной, а также подключена через.избирательный усилитель к входу первого амплитудного детектора и соединенные последовательно усилитель частоты коммутации, синхронный детектор и регистрирующий прибор, вход управления синхронного детектора подключен к выходу генератора частоты коммутации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функцио" нальных возможностей, в него введены два фазовращателя, аттенюатор, второй амплитудный детектор, амплитудный ограничитель н два фазовых детекто978083 ВНИИПИ Заказ 9209/61 Тираж 717 Подписное Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 Ра, причем фазовращатели включены последовательно между выходом фильтра нижних частот и одним из входов автоматического коммутатора, другой вход которого соединен с выходом фильтра верхних частот через аттенюатор, амплитудный ограничитель подключен входом к выходу избирательного усилителя, а выходом — к одному из входов первого фазового детектора, другой вход которого соединен с выходом ге- 10 нератора второй опорной частоты, входы второго фазового детектора соединены с выходами баланеного смесителя и широкополосного усилителя соответственно, второй амплитудный де- 15 тектор также подключен к выходу широкополосного усилителя, соединенному с клеммой для подключения полевого электрода исследуемого образца, входы переключателя соединены соответственно с выходами первого и второго амплитудных детекторов и с выходами первого и второго фазовых де- текторов, а его выход подключен к входу усилителя частоты коммутации. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе. 1. Авторское свидетельство СССР 9 588517, кл. С 01 R 31/26, 1978. 2. Бонч-Бруевич В.Л. и др. Физика полупроводников. М., "Наука", 1977, с. 330. 3. Авторское свидетельство СССР Р 766762, кл. G 01 R 31/26, 1978 (прототип).
