Устройство для измерения характеристик мдп-структур

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1030 1/26 ЕТЕНЦЯ ьство СССР 26, 1969.ьство СССР 26, 1977. ГОСУД АРСТВЕННЪ(й КОМИТЕТ СССРпо делАм изОБРетений и ОтнРытий ПИСАНИЕ ИЗОБРВТОРСИОМУ СВИДЕТЕПЬСТ(72) В.М.Колешко, Н.Н.Анишкевич, В,Я.Сунка и С,С.Кривоносов (71 Институт электроники АН Белорусской ССР(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МЛП-СТРУКТУР, содержащее генераторы тестового сигнала и пилообразного напряжения, присое" диненные 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 которыхсоединены с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, входом синхронизации подключенного к первому выходу блока 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, цифро-аналогового преобразователя, выход которого является выходом блока установки, опорного напряжения, и из двух элементов задержки, схемы измерения и фиксации напряжения снабжены синхронизирую- ю 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 и входом второго элемента задержки, выход которого подключен к второму входу сумматора, причем выход пер- ко вого элемента задержки соединен с вторым входом второй схемы И, а второй выход схемы обработки соединен с третьим входом схемы накопления.Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может бытьиспользовано для контроля качЕстваи измерения характеристик МИ 1-структур,В цастоящее время для контроляМДП металл-диэлектрик-полупроводник ) структур широко применяютсяизмерителя вольтфарадных характеристик, регистрирующие зависимость емкости структуры от величины смещающего напряжения,Известно устройство для измерения и регистрации характеристик,ИДЗ-структур такого типа, котороесостоят яэ генератора и усилителя 15сянусоцдальцого измерительного сигнала частотой 1 мГц, Б качествегенератора развертки используетсянапряжение осциллографа, на входыХ икоторого подаются напряженяя Регис 1 Рации сигналов пропорциональных соответственно емкости исмещающему напряжению1).Недостатками такого устройстваявляются низкая точность измеренийи малое быстродействие устройствав целол, так как анализ характеристик производится визуально с экранаосциллографа,Известно также устройство, состоящее иэ генератора тестовогосигнала, усилителя, генератора пилообразного напряжения, синхронизатора, порогового устройства и индикатора разности напряжений, котороепозволяет фиксировать смещение вольт-Зфарадных характеристик при измерениях смещающего напряжения С 2 3.Недостатками этого устройства,являются ограниченная точность инизкое быстродействие, обусловленные 40необходимостью вести вручную обработку полученных характеристик.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является устройство для измерения характеристик 45МДП-структур, содержащее генераторытестового сигнала и пилообразногонапряжения) присоединенные выходамик одной цз шин для подключения исследуемой структуры, другая шинакоторой соединена с измерительнымрезистором и через усилитель измерительного сигнала с первым входомсхемы сравнения, подключенной вторым входом к выходу блока установкиопорного напряжения, а своими выходом - к входам управления двух схемизмерения и Фиксации напряжения,измерительные входы которых соединены со вторым выходом генераторапилообразного напряжения, входомсинхронизации подключенного к первомувыходу блока обработки и отображения информации, включающего соединенные между собой схемы обработкии отображения, два входа которого б 5 присоединены к выходам схем измерения и фиксация напряжения, В качествесхем обработки и отображения в немиспользуются схема вычитания с цифровым вольтметром и двухкоордянатный самописец3,Известное устройство позволяетповысить точность измерений гистеРезисных характеристик структур засчет обеспечения возможности фиксации напряжений, пропорциональныхвеличине емкости на разных склонах пилообразного напряжения смещения, и их регистрации,В качестве недостатков известногоустройства следует отметить егонизкое быстродействие. В связи стем, что качество МДП-структурыопределяемое релаксациея емкостив инверсии релаксацией емкости вобеднении, релаксацией емкости вобогащении я т,д,) оценивается погистереэисным характеристикам, тонеобходимо производить большое количество измерений, па которым выполняются графоаналитическое построениея анализ, что весьма трудоемко.Цель изобретения - повышение быстродействия эа счет обеспечения возможности управления опорным напряжением я накопления результатов измерений,Поставленная цель достигаетсятем, что в устройстве для измеренияхарактеристик МДП-структур, содержащем генераторы тестового сигналаи пилообразного напряжения присоединенные выходами к одной из шин дляподключения исследуемой структуры,другая шина которой соединена с измерительным резистором и через усилитель измерительного сигнала с первым входом схемы сравнения, подключенной вторым входом к выходу блокаустановки опорного напряжения, асвоим выходом - к входам управлениядвух схем измерения и фиксации напряжения, измерительные входы которогосоединены с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, входомсинхронизации подключенного к первомувыходу блока обработки и отображения информации, включающего соединенные между собой схемы обработкии отображения, два входа которыхприсоединены к вьходам схем измерения и фиксации напряжения, блок установки опорного напряжения выполнен вниде последовательно соединенныхрегистра первой схемы И, сумматора,второй схемы И, цифро-аналоговогопреобразователя, выход которого является выходом блока установки опорногонапряжения и из двух элементов задерж)ки схемы измерения и фиксации напряжения снабжены синхрониэирующимивходами, соединенными с входом синхронизации генератора пилообразногонапряжения, 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 10 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 мы обработки соединен с третьим входом схемы накопления.Такое построение устройства позволяет в едином цикле оперативно произвести измерение полной гисте- р 0 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 17, первой схемы И 18, сумматора 19, второй схемы И 20, цифроаналогового преобразователя 21 и второго элемента 22 задержки. 50Входы 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 15Выходы 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 напряжениефиг. 2 ) подается на измеряемую структуру 3 совместно с тестовым сигналом от 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 времяфиг. 2) и по заднемувремяфиг. 2) фронтам смещающего напряжения. Стробирующие импульсы подао ются затем на схемы 7 и 8 измерения и фиксации величины смещающего10 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 0, 0 в схему 12 подается импульс напряжения с схемы 14 обработки ин-. Формации 1 который вырабатывает затем сигнал в схему 12, для изменения адреса записи следующих значений смещающего напряжения. Одновременно схема 12 вырабатывает импульс напряжения, подаваемый на25 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 вляться как в сторону увеличения так и и сторону уменьшения опорного напряжения.После окончания периода измерения импульс с выхода схемы 14 пода О ется для установки начального состояния измерительных схем 7 8разряд емкостей накопителя 10 и 9, а также на вход генератора смещающего напряжения 5 для осуществления начала нового 1 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 схе" му 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 2Практическое 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 Составитель Ю.БрызгаловРедактор Н.Лазаренко Техред М.Тепер Корректор А,Ильин Заказ 5206/46 Тираж 710 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5филиал ППП "Патентф, г. ужгород, ул. Проектная, 4 У 1 У 2 С,лФ од ол иг Фиг 5