Устройство для измерения электрофизических параметров мдп структур

(22) Заявлено 04.07.80 (21) 2851545/18-21 151 М;Кл з С 01 й 31/26 с присоединением заявки Мо Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий/ Дата опубликования описания 15.04.82 РОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕ ПАРАМЕТРОВ МД(54 ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХТРУКТУР 2 Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для проведения контроля качества МДП-структур в процессе их производства.Известно устройство для измерения параметров МДП-структур, содержащее генератор синусоидального напряжения, источник смещения, управляемый делитель напряжения, образцовое сопротивление, первый операционный усилитель, выпрямитель, самописец, индикатор синфазности, инвертор, второй операционный усилитель, образцовый конденсатор, сумматор, фильтр нижних частот, регулируемое:сопротивление 111 .Йедостатком данного устройства является невысокая точность измерения реальныхпараметров МДП-структур.изза использования неточной схемы их замещения.Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для регистрации и измерения вольт-фазовых характеристик, содержащее генератор синусоидального напряжения, объект измерения, програм" мируемый источник смещения, управляемый делитель напряжения, образцовый регистр, первый операционный усилитель, выпрямитель, регистратор,индикатор синфаэности, инвертор, второй операционный усилитель, образцовые конденсаторы, первый сумматор, фильтр нижних частот, регулируемый резистор, блок управления, первый ключ, второй сумматор нуль органа, запоминающий блок, второй управляемый делитель напряжения, второй ключ 2).Недостатком известного устройстваявляется невысокое быстродействие измерения напряжения плоских эон и порогового напряжения. При использовании устройстванеобходимо объект измерения ввести в режим сильного обогащения, после чего измерить емкость диэлектрика и компенсировать ее значение. Затем, изменяя значение напряжения смещения, измеряют вольтфарадовую характеристику (ВФХ) исследуемой МДП-структуры. Сравнивая идеальную и измеренную ВФХ и определяя смещение измеряемой ВФХ относительно идеальной, определяют напряжение плос ких зон, Следовательно, использованиеустройства предполагает измерение полной ВФХ исследуемого объекта, что требует существенных затрат времени. Кроме того, требуется большой объем вычислений 30 для определения теоретической ВФХ, атакже графическая обработка теоретической и экспериментальной зависимос-. ти, что дает дополнительную.погрешность и требует дополнительных затрат времени.Целью изобретения является повыше;5 ние быстродействия устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения электро- физических параметров МДП-структур 1 О содержащее первый и второй сумматоры, управляемый делитель напряжения, генератор синусоидального напряжения, ключ, соединенный первым входом с выходом блока управления и первым входом програмируемого источника сме. щения, образцовый резистор, соединенный первым выводом с входом первого операционного усилителя, выход кото- рого соединен через последовательно соединенные разделительный конденсатор и объект измерения с еГо входом и первыми входами первого сумматора и первого выпрямителя, резистор, соединенный первйм входом с выводом программируемого источника смещения, входом. объекта измерения и выводом разделительного конденсатора, вторым входом - с выходом фильтра нижних частот, третьим входом - с выходом первого фазораэделителя, четвертым входом - с выходом второго фазоразделителя, пятым входом - с выходом первого выпрямители, в него введены анализатор, блок уставок, фаэосдвигающий элемент и элемент задержки, 35 соединенный входом с выходом генератора синусоидального напряжения и вторым входом ключа, выходом ; с третьим входом ключа, выход второго выпрямителя соединен с первым входом 4 О управляемого делителя напряжения, вход - с выходом ключа, вторым выводом образцового регистра, вторым входом управляемого делителя напряжения, первыми входами первого и второго 45 фазоразделителей, вторые входы которых соединены с выходом второго сумматора, соединенного первым входом первого сумматора, второй вход которо-. го соединен с выходом фазосдвигающего элемента, соединенного входом с выходом управляемого делителя напряже. ния, входом фильтра. нижних частот, с вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с третьим входом управляемого делителя напряжения,5 первые входы анализатора и блока установок соединены с выходом первого фазоразделителя, выход анализатора соединен с вторым входом блока уставок и вторым входом программируемого бО источника смещения, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с шестым и седьмым входами регистратора и первым и вторым выходами блока уставок, соединенного 65 третьими входом с выходом блока управления.Блок уставок содержит первый и второй блоки памяти, первый и второй элементы сравнения, соединенные первыми входами с первыми входами первого и второго блоков памяти и первым входомблока уставок,. вторыми входами - соответственно с выходами первого и второго блока памяти, выходами - соответственно с первым и вто" рымвыходами блока уставок, соединейного вторым входом с вторыми входами блоков памяти, третьи входы которых соединены с третьими вхо. дами блока уставок.Управляемый делитель напряжения содержит первый,второй и третий резисторы, второй операционный усилитель соединенный выходом с выходом делителя напряжения и первым резисто- . ром, второйвывод которого соединен с входом второго операционного усилителя и через второй и третий резис" торы - соответственно с первым и вторым входами делителя напряжения,На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг 2 - временные диаграммы его работы.Устройство содержит генератор 1синусоидального напряжения, объект2 измерения, программируемый источник 3 смещения, управляемый делитель4 напряжения, образцовый резистор 5,первый. операционный усилитель 6, первый выпрямитель 7, регистратор 8, об.разцовый конденсатор 9, первый сумматор 10, фильтр 11 нижних частот,блок 12 управления, ключ 13, второйсумматор 14, первый фаэоразделитель15, второй фазоразделитель 16, элемент 17 задержки, второй выпрямитель.18, фаэосдвигающий элемент 19, анализатор 20, блок 21 уставок,Управляемый делитель напряжения 4включает второй 22 и третий 23 резисторы, первый резистор 24 и второйоперационный усилитель 25Блок уставок 21 содержит первый 26 и второй 27 блоки памяти, первый 28 и второй 29 элементы сравнения,Устройство работает следующим образом.В начальный момент времени по команде блока 12 управления закрывается ключ 13, сбрасываются в нулевое состояние блоки 26 и 27. По сигналу с элемента 17 задержки в момент вре-мени со (фиг 2) открывается ключ 13, К образцовому резистору 5 прикладывается синусоидальное напряжение 0:0 Ьх 0 о В и ц) к где Оо- амплитуда тестового сигнала;ц - круговая частота;г - время.,:оь-.,г, .,3; Р)где Кц- сопротивление образцовогорегистра 5;5 С, Кп- емкость и сопротивление полупроводника объекта измерения 2 (МДП-структуры);Р - оператор Лапласа.Оригинал функции (1) имеет вид: где ф ь 1 и Й 11 Из выражения (2) следует, что постоянная составляющая напряжения О навыхоце операционного усилителя б пропорциональна емкости С . Первый сум матор 10 сравнивает постоянную составляющую напряжения Об на выходе операционного усилителя б с постоянной составляющей напряжения О,(. на выходе управляемого делителя напряжения 4. Напряжение О рав но;О = О 0 К 1 + ОбК,где О 0 - значение найряжения на выходе второго выпрямителя 18,К 1 - коэффициент Передачи управляемого делителя напряжения 4.Напряжение О 2 на выходе первого сумматора 10 равно://тупает на информ Чап ционны азо аженивходы чпос ерво й н етсяПр вого о и второго 16 управляющие вхо напряжение Оьс этом напряжение фазоразделитедя Ф р зделител ды которых под выхоца ключа 1 Ов с выхода пе 15, равное Яионал и что См оро 1Оц 0 Ъ 1 О =Оо К о фазо н- ияжение Оередачи К 1пряжения 4равным нул Напр ент п ля на анетОбк К льво я 1 45 Фа. - ана жение Он астот, ра а ыхода первогоупает на входервого 26 и втл н о а С 1,оков памяти. а пе вого зво 1) пе тора,учи для нь на Обнапряжениефазосдвигата 11,а выходе 5 его элеменгде Оз=0 К -Ррвый нт передачиающего .элемен-6 коэффицфазосдвта 19. о второ- чидлянаг Поскольку величина емкости разделительного конденсатора 9 (Ср ) вы- .бирается таким образом, чтоСУСд,С - емкость диэлектрика объекАта измерения 2 ( МДП-структуры),то напряжение Об на выходе,операционного усилителя б равно егистрирует коэффрегулируемого делдо тех пор, покаПри О= 0,1 Яа выходе фильтравное,О=О К 1 -ОоРфиксирует регистратор О, чтоляет определить величинуНапряжение О 1, на выходе су14 равно-- сО 01.10 ао С 1, К 0ф ) При условии, что -у-=1(при сост1(2етствующем подборе определенной чаоты ч) тестового сигнала О 11,Оь=Обк ,СР где К 5- коэффициент пропоностификсирует регистратор 8, воляет определить величинуНапряжение Ос выхода вт разделителя 16, равное КИ- коэобициент пропорцности,сирует регистратор 8, чтоопределить Вп . Напряжейие Об с в зоразделителя 15 пост лизатора 20, входы п рого 27 аналоговых б Напряжение О с выход рока памяти, равно08= О 6е К 846 - коэффициент передачивого блока памяти 26тывающий необходимыйизмерения О 0 р уровенапряжения смещенияобъекте 2.Напряжение О поступает на пеход элемента сравнения 28,Напряжение О с выхода второгЯ- К 9а памяти 27 равно О 9 = Об 9це К 9 - коэффициент передачиго блока памяти 27, упряжения смещения,на обьекте 2.После открывания ключа 13 с выхода программируемого источника 3 смещения на объект 2 измерения поступает напряжение, смещающее объект 2 из мерения в область глубокой инверсии. При этом емкость С уменьшается, следовательно, напряжение Обвозрастает (фиг. 2)1 Как только значение емкости Са достигает минимального значения 0 что соответствует максимальному значению напряжения Ок и фиксируется анализатором экстремума 20, по его команде блок памяти 26 выдает на выходе "напряжение 15О 8 = О ,акК 8, (8)Блок 27 памяти выдает на выходе напряжениеОэ = Оатпбх КВ (9)После определения величины Од и 20 Од источник 3 смещения на объект 2 измерения задает напряжение, под действием которого эначен.:е емкости Ст начинает возрастать. При равенстве текущего значения напряжения О, на выходе фазоразделителя 15 и значения, напряжения О на выходе первого блока 26 памяти по сигналу элемента 28 сравнения источник 3 прекращает изменение напряжения смещения, а достигнутое значение этого напрякения фиксируется регистратором 8 как пороговое напряжение О . Далее источник 3 изменяет значение напряжения смещения на объекте измерения 2 до достижения равенства значения напряже 3 ния ОС на выходе фазоразделителя 15 значению напряжения О 9 на выходе блока 27 памяти. В момент равенства О и О по сигналу элемента 29 сравнеЯния источник 3 прекращает изменение 40 напряжения смещения, а достигнутое значение этого напряжения фиксирует регистратор 8 как напряжение плоских зон Ор/Таким образом, эа счет введения .45 элементов 17 и 19, блоков 20 и 21 отпадает необходимость регистрировать ВФХ, вычислять идеальную ВФХ, сравнивать идеальную и измеренную ВФХ, что повышает бйстродействие измерения на", 5 О пряжения плоских зон и порогового на пряжения и, следовательно, быстродействие устройства.Формула изобретения551. Устройство для измерения электрофиэических параметров МДП-струк- тур, содержащее первый и второй сумматоры, управляемый делитель напряжения, гвнератор синусоидального напряО жения, ключ, соединенный первым входом с выходом блока управления и первым входом программируемого источника смещения, образцовый резистор, соединенный первым выводом с входом первого операционного усилителя, выход которого соединен через последователь- ное соединение разделительный конден-, сатор и объект измерения с его входом и первыми входами первого сумматора и первого выпрямителя, регистратор, соединенный первым входом с. выходом программируемого источника смещения, входом объекта измерения и выводам разделительного конденсатора, вторым входом - с выходом фильтра нижних частот, третьим входом - с выходом первого фазоразделителя, четвертым входом - с выходом второго фазораэделителя, пятым входом - с выходом первого выпрямителя, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, в него введены анализатор, блок уставок, фазосдвигающий элемент, элемент задержки, соединенный входом с выходом генератора синусоидального напряжения и вторым входом ключа, выходм -с третьим входом ключа, выход второговыпрямителя соединен с первым входомуправляющего делителя напряжения,вход - с выходом ключа, вторым выводом образцового резистора, вторым входом управляемого делителя напряжения,первыми входами первого и второгофазоразделителей, вторые входы которых соединены с выходом второго сумматора, соединенного первым входомс первым входом первогосумматора,второй вход которого соединен с выходом фазосдвигающего элемента, соединенного входом с выходом управляемого делителя напряжения, входом фильтра.нижних частот, с вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с третьим входом управляемогоделителя напряжения, первые входыанализатора и блока уставок соединеныс выходом первого фазоразделителя, выход анализатора соединен с вторым входом блока уставок и вторым входом:программируемого источника смещения,третий и четвертый входы которогосоединены соответственно с шестым иседьмым входами регистратора и первым и вторым выходами блока уставок, соединенного третьим входом свыходом блока управления,2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я. тем, что блок уставок содержит первый и второй блокипамяти, первый и второй элементысравнения, соединенные первыми входами первого и второго блоков памятии первым входом блока уставок, вторыми входами - соответственно с выходами первого и второго блоков памяти, выходами - соответственно с первым и вторым выходами блока уставок,соединенного вторым входом с вторымивходами блоков памяти, третьи входыкоторых соединены с третьим- входомблока уставок.3. Устройство по п. 1, о т л ич а в щ е е с я тем, что управляемый делитель напряжения содержит первый, второй и третий резисторы, второй операционный усилитель, соединенный выходом с выходом делителя напряже ния и первым резистором, второй вывод которого соединен с входом второго операционного усилителя и через второй и третий резисторы - соответ 10 ственно с первым и вторым входамиделителя напряжения. Источники информации, принятые во внимание нри экспертизе1. Авторское свидетельство СССР, М б 58508, кл. 6 01 В 31/2 Б, 1979.2. Авторское свидетельство СССР по заявке В 2637833/18-21, .кл. 6 01 В 31/2 б, 1978 (прототип)920582 4 Ьа 2 Составитель В. ДворкинРедактор И.Недолуженко Техред М.Тепер. Корректор, Г.Огар Заказ 2 сное Патентф г.ужгород, ул илиал тная,1/49ИИИПИ Государствпо делам иэобре0,35) Москва, Ж719 П комитета ССС открытий ская наб.,д. иражногонийРауш