Измеритель электрофизических параметров мдп-структур

СОЮЗ ОРВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК рй 01 В 312 ИЯ3 ОПИСАН Н АВТОРСНО ИЗ У У СВИДЕТЕЛЬСТ мого объекта, вторая шина для подключения измеряемого объекта соединена с выходом программируемого источника смещения и через разделительныйконденсатор - с выходом операционногоусилителя и вторым входом вычитателянапряжений, выход которого соединен свходом первого пикового детектора,второго управляемого делителя напряР жениянуль-органа и блока измеренияпостоянной времени, выход второгоуправляемого делителя напряжениясоедиНен с входами блока измеренияустановившегося значения напряженияи второго пикового детектора, выходблока измерения установившегося значения напряжения соединен с первым Явходом блока сравнения, второй входкоторого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход соединен с управляющим входом второгоуправляемого делителя напряжения,,выход второгс пикового детектора че- Ярез ключ соединен с входом фильтранижних частот, выход которого соединен с вторым входом коммутатора,выход нуль-органа соединен с регулирующим входом источника управля- Юющега напряжения, выход которого фсоедийен с управляющим входом первого управляемого делителя напряже- АРния, третий выход блока управления Я)соединен с управляющим входом источника управляющего напряжения, четвертый выход блока управления соединен с управляющими входами первогои второго пиковых детекторов, а пятый выход блока управления соединенс управляющим входом блока измерения установившегося значения напряжения, выход блока измерения постояйной времени соединен суправляющимвходом ключа, выход первого пиковогодетектора соединен е третьим. входомкоммутатора,с(54) (57) ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МПП-СТРуКТуР, содержащий опорный конденсатор, операционный усилитель, шины для подключения измеряемого объекта, блок управ- .ления, первый выход которого соединенс входом источника опорного напряжения, а,второй выход - с входом программируемого источника смещения, выход которого соединен с горизонтальным входом самописца, вертикальныйвход, которого соединен с выходом коммутатора, первый вход которого соединен,с управляющим входом первогоуправляемого делителя напряжения,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности измерения, в него введены разделительныйконденсатор, источник управляющегонапряжения, первый и второй пиковыедетекторй, второй управляемый делитель напряжения, блок измерения ус"тановившегося значения напряжения,блок сравнения, фильтр нижних частот, причем выход источника опорногонапряжения соединен через первыйуправляемый делитель напряжения спервым входом вычитателя напряжений,а через опорный конденсатор - с входом операционного усилителя и первой шиной для подключения измеряеГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(711 Пензенский политехнический институт(56) 1. Авторское свидетельство СС Р 763821, кл 6 01 К 31/26, 1978,2. Авторское свидетельство СССРР 905885, кл, 6 01 В 31/26, 198050 Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при построении приборов и систем контроля качества полупроводниковых структур, в частности, измерения емкостей диэлектрика и обедненного слоя полупроводника, а также постоянной времени . поверхностных состояний МДП-структур в зависимости от приложенного напря" жения смещения. 10Известно устройство, в котором осуществляется раздельное измерение емкости исследуемой МДП-структуры и активной проводимости утечки в широком динамическом диапазоне изменения 15 параметров исследуемого объекта 1 .Недостаток известного устройства состоит в невысокой точности измерения реальных параметров МДП-структур из-за использования неточной схемы замещения.20Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для. измерения электрофизических параметров МЛП-структур содержащее блок управления, источ 25 ник опорного напряжения, первый сумматор, исследуемый объект, операционный усилитель, образцовый конденсатор, управляемый делитель напряжения, первый ключ, второй сумматор, второй .ключ, запоминающий блок, нуль-орган, программируемый источник смещения, инвертор, регулируемое сопротивление, первый, второй и третий дополнительные ключи, дополнительный 35 запоминающий блок, ключ, вычитатель напряжений,блокиэмерения постоянной времени, .схему деления напряжений, коммутатор, самописец, вертикальный вход которого соединен с выходом коммутатора, первый вход которого соеди нен с управляющим входом управляемого делителя напряжения, первый выход блока управления соединен с входом источника опорного напряжения а вто рой - с входом программируемого источника смещения, выход которого соединен с горизонтальным входом самописца.Устройство обладает широкими функциональными воэможностями, позволяя получать информацию обо всех параметрах четырехэлементной схемызамещения МДП-структуры 2 .Указанное устройство имеет в своем составе контур с положительной 55 обратной связью, что приводит к снижении устойчивости и стабильности работы устройства и, как следствие, к низкой точности измерений.Цель изобретения - повышение точ- фности измерения электрофизических параметров МДП-структур.Поставленная цель достигается тем, что в измеритель электрофиэических параметров МДП-структур, содержащий 65 опорный конденсатор, операционныйусилитель, шины для подключения измеряемого объекта, блок управления,первый выход которого соединен свходом источника опорного напряжения, а второй - с входом программируемого источника смещения, выходкоторого соединен с горизонтальнымвходом самописца, вертикальный входкоторого соединен с выходом коммутатора, первый вход которого соединенс управляющим входом первого управляемого делителя напряжения, введены разделительный конденсатор, источник управляющего напряжения, первый и второй пиковые детекторы, второй управляемый делитель напряжения, блок измерения установившегосязначения напряжения, блок сравнения,фильтр нижних частот, причем выходисточника опорного напряжения соединен через первый управляемый делительнапряжения с первым входом вычитателя напряжений, а через опорныйконденсатор - с входом операционного усилителя и первой шиной для подключения измеряемого объекта, втораяшина для подключения измеряемого объекта соединена с выходом программируемого источника смещения и через разделительный конденсатор - с выходомоперационного усилителя и вторым входом вычитателя напряжений, выход которого соединен с входами первогопикового детектора, второго управляемого делителя напряжения, нуль-органа и блока измерения постояннойвремени, выход второго управляемогоделителя напряжения соединен с входами блока измерения установившегосязначения напряжения и второго пикового детектора, выход блока измеренияустановившегося значения напряжениясоединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединенс выходом источника опорного напряжения, а выход соединен с управляющимвходом второго управляемого делителянапряжения, выход второго пиковогодетектора через ключ соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, выход нуль-органа соединенс регулирующим входом источника управляющего напряжения, выход которогосоединен с управляющим входом первогоуправляемого делителя напряжения,третий выход блока управления соединен с управляющим входом .источника управлящвщего напряжения,четвертый выход блока управлениясоединен с управляющими входамипервого и второго пиковых детекторов, а пятый выход блока управлениясоединен с управляющим входом блокаизмерения установившегося значениянапряжения, выход блока измеренияпостоянной времени соединен с управляюшим входом .ключа, выход первогопикового детектора соединен с третьим входом коммутатора.На чертеже изображена структурная схема устройства.Измеритель электрофизических параметров МДП-структур, содержит блок1 управления, источник 2 опорногонапряжения, опорный конденсатор 3операционный усилитель 4, исследуемый объект 5, программируежй источник б смешения, разделительный конденсатор 7, первый вычитатель 8напряжений, первый управляемый делитель 9 напряжения, источник 10 управляющего напряжения, нуль-орган11, первый пиковый детектор 12, второй управляемый делитель 13 напряжения, блок 14 измерения постояннойвремени, блок 15 измерения установившегося значения напряжения, второй пиковый детектор 16, блок 17,сравнения, ключ 18, Фильтр 19 нижнихчастот, коммутатор 20 и самописец 21.Выход источника 2 опорного напряжения соединен с входом первого уравляемого делителя 9 напряжения,ичерез опорный конденсатор 3 - свходом операционного усилителя 4 иодной иэ шин для подключения измеряемого объекта 5. Другая шина соединена с выходом программируемогоисточника б смещения, а через разде"лительный конденсатор 7 - с выходомоперационного усилителя 4 и первымвходом первого вычитателя 8 напряжений. Второй его вход подключенк выходу первого управляемого делителя 9 напряжения, Выход первого вычитателя 8 напряжений соединен с,входами первого пикового детектора12, второго управляемого делителя 13 40напряжения, нуль-органа 11 и блока14 измерения постоянной времени. Выход второго управляемого делителя 13напряжения связан с входами блока15 измерения установившегося эначения напряжения и второго пиковогодетектора.16, Выход блока 15 измерения установившего значения напряжениясоединен с первым входом блока 17сравнения, второй вход которого 50подключен к выходу источника 2 опорного напряжения, а выход связан суправляющим входом второго управляемого делителя 13 напряжения. Выходзторого пикового детектора.16 черезключ 18 соединен с входом фильтра 19нижних частот. Управляющий вход ключа18 подключен к выходу блока 14 измерения постоянной времени. Выход нульоргана 11 через источник 10 управляющего напряжения соединен с управляющим входом первого управляемогоделителя 9 напряжения. Управляющиевходы источника 2 опорного напряжения, программируемого источника бсмещения, источника 10 управляющего 65напряжения, первого и второго пиковых детекторов 12 и 16, блока 15 измерения установившегося значения напряжения соединены с соответствую" шими выходами блока 1 управления.Выходы источника 10 управляющего напряжения, первого пикового детектора 12 и фильтра 19 нижних частот соединены с соответствующими входами коммутатора 20. Выход последнего подключен к вертикальному входу самописца, горизонтальный вход которого связан с выходом программируемого источника б смещения.Измеритель электрофизических параметров ТЯП-структур работает сле" дующим образом.Источник 2 вырабатывает опорное (тестовое ) напряжение в виде двух- полярных прямоугольных импульсов амплитудой Е. Выходное напряжение операционного усилителя 4 при этом в течение одного полупериода напряжения равноС 1+ С оСоЕсСо ССЯ ЕоСоС Я ф= - 1;е ф С С- е . где Сд - емкость опорного конденсатора. 3 С - емкость диэлектрика МЧПструктурыС - емкость обедненного слояполупроводника Си й - емкость и сопротивление,связанные с поверхностными состояниями и зависящие от поверхностного потенциала.В течение другого полупериода опорного напряжения выходное напряжение операционного усилителя Оо будет иметь противоположный знак,Выходное напряжение первого управляемого делителя 9 равноурнЮНгде к Он - коэФфициент передачипервого управляемогоделителя 9Напряжение на выходе вычитателя 8 равноСьфСз СС Е СО . СгС Й ЕСО С 2 С й Вю - е, +С+ Сзболо ф С -о"Юн . По команде блока 1 программируемый источник б подает на исследуемую МДП-структуру такое напряжениесмещения, которое ввОдит ИЧП-структуру в режим сильного"обогащения. (Это напряжение должно быть положительным для структуры й -типа и отрицательным для структуры р-типа,1026095 В режиме обогащенйя емкость Собедненного слоя полупроводниканастолько велика, что емкость МДПструктуры практически равна емкостидиэлектрика.Следовательно, в режиме обогащения СЗ ) С, а напряжение на выходеоперационного усилителя 4 равно:ЕоСоС,Выходное напряжение вычитателя 8при этом равноЕо"оВн С ЕоуНПо команде блока 1 источник 10подает на управляющий вход первогоуправляемого делителя 9 управляющеенапряжение, медленно изменяющеесяпо величине до тех пор, пока нульорган 11, включенный на выходе вычиталеля 8, не зафиксирует нулевоезначение напряжения Оз. Это произойдет при КСоЧан - С,По команде нуль-органа 11 источник 10 прекратит изменение своеговыходного напряжения и зафиксируетего на уровне, при которомВ дальнейшем до конца цикла измерения параметров МДП-структуры выход-З 0ное напряжение источника 10 остается неизменным. Это напряжение, пропорциональное коэффициенту передачиКон, = Со/С, подается через коммутатор 20 на самописец 21.Далее по команде блока 1 программируемый источник 6 выводит исследуемую МДП-структуру из режима обогащения, подводя к ней медленно изменяющееся напряжение смещения другой по" 40лярности.Поскольку значение емкости диэлектрика Спрактически не зависитот приложенного напряжения смещения,выходное напряжение вычитателя 8 . 45равно где К- коэФФициент передачиуправляемого делителя13, подается на входы блока 15 ивторого пикового детектора 16.5Выходное напряжение блока 15ЕоСоО: КВИЬ С,с, ШНподается на один из входов блока 17сравненияна другой вход которогопоступает напряжение Ео.Выходное напряжение блока 17 (сигнал рассогласования ) изменяет коэф, фициент передачи второго управляемого делителя 13 до тех пор, пока 5 напряжение на выходе блока 17 нестанет равным нулю.При этомЪ 0 Нг С,С,сс,сгс й Сг.Се Ф юСо Сг Сь ЕоСо 1012 Со Сг+С аСз1Первый пиковый детектор 12 выделяет экстремальное (за полупериод опорного сигнала значение этого напряженияЕоСо 555Выходное напряжение первого пикового детектора, пропорциональное 1/С, через коммутатор 20 подается на самописец 21. 60Выходное напряжение второго уп" равляеомго делителя 13 00 н =ВзК Е СС,С СгСз У Ю= - 1 ео о СгС Я Г С зн С,.С6Выходное напряжение второго пико, вого детектора 16Ео(С 1 С)цпОт Ссподается через ключ 18 на Фильтр 19,Блок 14 формирует на своем выходеимпульс длительностью, равной постоянной времени экспоненциально. изменяющегося напряжения на выходе вы-читателя 8,На время действия этого импульсаоткрывается ключ 18. При этом навыходе ключа 18 Формируются прямоугольные импульсы амплитудой Е (С +о 2+ С) /Сг и длительностью Ь 1, =СС Р/ (С+ С) .Вольт-секундная площадь такогоимпульса 5 щ ЕоСг Р .Выходное напряжение фильтранижних частот, пропорциональное бКЬподается через коммутатор 20 на самописец 21.Таким образом, осуществляетсяизмерение основных электрофизических параметров МДП-структуры ( 1 /С)1/С , ь = К С) в зависимости отприложенного напряжения смещения. Приэтом в предлагаемом устройстве устранены недостатки устройства-прототипа, обусловленные наличием петлиположительной обратной связи, засчет чего повыщается точность измерения.102 б 095 оставнтель З. ехред Л. Пекар редактор Н,на каз 4553/ЗВВН 113035,или ПП фПатент", г. Ужгород, ул. Проектн Тираж 710ПИ Государствено делам иэобретсква, Ж, Рау рпов КорректорА. Ильин Подписноего комитета СССРий и открытийкая наб., д, 4/5