УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ И ПРОВОДИМОСТИ МДП-СТРУКТУР В ОБЛАСТИ ИНФРАНИЗКИХ ЧАСТОТ

Полезная модель относится к измерительной технике и является устройством для измерения параметров МДП-структур (емкости и проводимости) в области инфранизких частот (от 0.01 Гц.) Преимущественная область использования - научные исследования. Полезная модель может быть использована для контроля качества полупроводниковых приборов.
Необходимость проведения измерений в области инфранизких частот вызвана тем, что ввиду малых скоростей обмена зарядами между поверхностью полупроводника и ловушками, локализованными в объеме диэлектрика, особенности поведения указанных зависимостей проявляются именно на этих частотах. Изучение этих зависимостей необходимо для выяснения природы ловушек и определения возможностей ослабления их влияния на развитие гистерезисных явлений.
Прямой метод измерений с помощью вольтметра и амперметра не получил распространения из-за сложности работы с сигналами таких низких уровней, а также шумов аппаратуры. Мостовой (компенсационный) метод ввиду сложности изготовления трансформаторов для инфразвуковых частот практически не применяется.
Метод, использующий процедуру предварительного преобразования тока в напряжение, имеет существенное ограничение, связанное с тем, что входные токи и токи утечек современных прецизионных усилителей превышают или в лучшем случае сравнимы с измеряемыми токами. Известны технические приемы (By Alfredo Saab and Randall White, Maxim Integrated Products - July 18, 2008), позволяющее снизить суммарное значение входного тока и токов утечки измерительных устройств на операционных усилителях до 28-38 фА. Однако, этого значения недостаточно.
Величина емкостного тока через МДП-структуру имеющую емкость 10 пФ на частоте 0.03 Гц при амплитуде тестового сигнала 20 мВ составит порядка 30 фА, измерять которую необходимо с разрешением лучше 1 фА. Это относится и к измерению проводимости. В настоящее время доступных приборов, обеспечивающих измерение таких значений емкости и проводимости в области инфразвуковых частот нет.
Известно  техническое  решение  используемое в анализаторе полупроводниковых приборов Agilent1500A, (http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-2785EN.pdf) позволяющее измерять слабые токи с разрешением до 0,1 фемтоампер, в котором используется периодическая коррекция, однако, измерение емкости производится на частотах от 1 кГц до 5 МГц, а блочная структура прибора не позволяет измерять емкость и проводимость одновременно.
Недостатком известного технического решения является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.
Известно техническое решение используемое в измерителе импеданса Е7-20 (ОАО «МНИПИ»), (http://www.mnipi.ru/products.php4?group=6&device=0). Данное техническое решение позволяет проводить измерение емкости и проводимости при напряжении смещения на измеряемом объекте в диапазоне от 0 до 40 В в диапазоне частот от 25 Гц до 1 МГц.
Недостатком известного технического решения является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.
Известно техническое решение используемое в измерителе параметров полупроводниковых приборов ИППП-1 (http://www.mnipi.ru/products.php4?group=11&device=0), производства ОАО «МНИПИ», которое использует отдельные каналы для измерения напряжения и тока. Чувствительность измерителя тока составляет 100 фА.
Недостатком известного технического решения является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот, а также низкая чувствительность при измерении тока.
Известно техническое решение, используемое в способе определения параметров полупроводниковых структур (Патент РФ №2437112 «Способ определения параметров полупроводниковых структур», МПК G01R 31/26, опубликовано 20.12.2011) позволяющий проводить измерение емкости и проводимости полупроводникового прибора на аппаратно - программируемом комплексе спектроскопии в диапазоне частот напряжения тестового сигнала от 20 Гц до 2 МГц и напряжений смещения +/-40 В. Этот частотный диапазон не соответствует области инфранизких частот.
Недостатком известного технического решения является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот
Известно устройство для измерения параметров полупроводниковых структур (Патент РФ №1222145 «Устройство для измерения параметров полупроводниковых структур», МПК H01L 21/66, опубликовано 27.06 2012), содержащее блок подключения измеряемой структуры, генератор смещения, генератор синусоидального напряжения, усилитель, первый выход которого соединен с первым входом регистратора, второй вход которого соединен с первым выходом генератора смещения, второй выход генератора смещения, третий вход регистратора, вторые выходы детектора и усилителя соединены с общей шиной устройства, и с целью повышения точности, оно снабжено режекторным фильтром, двумя трансформаторами, двумя конденсаторами и катушкой индуктивности. Это устройство позволяет повысить точность измерения, но не обеспечивает измерение параметров в области инфранизких частот.
Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.
Известно устройство для измерения C-G-V- характеристик МДП-структур (Патент РФ №1433207 «Устройство для измерения C-G-V- характеристик МДП-структур», МПК G01R 31/26 опубликовано 10.12.1997), Устройство содержит блок управления, источник опорного напряжения, опорный конденсатор, операционный усилитель, клеммы для подключения исследуемого объекта, программируемый источник смещения, разделительный конденсатор, вычитатели напряжений и управляемые делители. Расширение функциональных возможностей этого устройства достигается тем, что устройство позволяет дополнительно измерять сопротивление утечек МДП-структуры.
Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.
Известно устройство для измерения характеристик полупроводников (Патент РФ №2007739 «Устройство для измерения характеристик полупроводников», МПК G01R 31/26, опубликовано 15.02.1994) Сущностью изобретения является введение новых блоков, что позволяет подавать на вторую клемму для подключения полупроводника противофазное напряжение постоянной амплитуды и осуществить аналоговую обработку сигналов в режиме компенсации. Это позволяет повысить устойчивость работы отрицательной обратной связи для поддержания постоянства тока через измеряемую емкость и снизить тестирующие напряжения на образце, расширить диапазон измеряемых добротностей. Введение схемы компенсации в измерительном канале концентрации позволяет повысить точность измерения параметров.
Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.
Известно устройство для измерения характеристик МДП-структур (Патент РФ №1143197 «Устройство для измерения характеристик МДП-структур», МПК G01R 31/26, опубликовано 27.06.2012) выбранное в качестве прототипа, содержащее генератор тестового сигнала и генератор напряжения смещения, выход которых соединены с первой клеммой для подключения испытуемой структуры, вторая клемма для подключения которой соединена с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, усилитель напряжения, вход которого соединен со второй клеммой для подключения испытуемой структуры, блок измерения напряжения, выход которого соединен с входом блока обработки и отображения информации. Это устройство позволяет повысить точность измерения характиристик, но не обеспечивает измерение параметров в области инфранизких частот.
Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.
Перед автором ставилась задача разработать устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот, позволяющего проводить измерение емкости и проводимости в области частот от 0.01 Гц с абсолютной погрешностью единицы и доли фемтоампер со временем измерения равным одному периоду частоты тестового сигнала.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот, содержащее исследуемую МДП-структуру, генератор тестового сигнала и напряжения смещения, блок измерения напряжения, блок обработки и отображения информации дополнительно содержит измерительную головку включающую входной ключ, трансимпедансный усилитель, токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя, далее синхронный детектор, интегратор, цифро-аналоговый преобразователь, блок управления, при этом исследуемая МДП-структура установлена между выходом генератора тестового сигнала и напряжения смещения и входом измерительной головки, первый выход которой соединен с синхронным детектором, выход которого подключен к входу интегратора, выход интегратора подключен к входу блока измерения напряжен, выход которого подключен к блоку обработки и отображения информации, первый выход которого подключен к входу блока управления, второй выход к входу цифро-аналогового преобразователя, который в свою очередь подключен ко второму входу измерительной головки, причем выходы блока управления подключены параллельно к входу генератора тестового сигнала и напряжения смещения, к двум входам измерительной головки, к входу синхронного детектора, входу интегратора и входу блока измерения напряжения, причем измерительная головка выполнена выносной из конструкции устройства, в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя установлен набор резисторов и последовательно соединенных с ними ключей, а блок обработки и отображения информации выполнен содержащим электронно-вычислительную машину, блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной соединенный с вычислительной машиной двунаправленной линией связи.
Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в повышении чувствительности при измерении емкостного тока МДП-структуры, в коррекции входного тока усилителя, в снижении уровня шумов и интегрировании выходного тока за период тестовой частоты, а также в расширении функциональных возможностей и расширении ассортимента устройств данного назначения.
На фиг.1 приведена блок-схема, поясняющая работу заявляемого устройства для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот, где 1 - генератор тестового сигнала и напряжения смещения, 2 - исследуемая МДП-структура, 3 - измерительная головка, 4 - синхронный детектор, 5 - интегратор, 6 - блок измерения напряжения, 7 - блок обработки и отображения информации, 8 - блок управления, 9 - цифро-аналоговый преобразователь, 10 - блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной, 11 - электронно-вычислительная машина.
На фиг.2 представлена блок-схема измерительной головки, где 12 - входной ключ, 13 - трансимпедансный усилитель, 14 - токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя, 15-17 резисторы обратной связи, 18, 19 - ключи.
Заявляемое устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот работает следующим образом. Исследуемая МДП-структура 2 устанавливается между выходом генератора тестового сигнала и напряжения смещения 1 и входом измерительной головки 3, первый выход которой соединен с синхронным детектором 4, выход которого подключен к входу интегратора 5, выход интегратора 5 подключен к входу блока измерения напряжения 6, выход которого подключен к блоку обработки и отображения информации 7, первый выход которого подключен к входу блока управления 8, второй выход к входу цифро-аналогового преобразователя 9, который в свою очередь подключен ко второму входу измерительной головки 3, причем выходы блока управления 8 подключены параллельно к входу генератора тестового сигнала и напряжения смещения 1, к двум входам измерительной головки 3, к входу синхронного детектора 4, входу интегратора 5 и входу блока измерения напряжения 6. Причем измерительная головка 3 может быть вынесена из устройства и расположена вблизи исследуемой МДП-труктуры 2. Выносной вариант измерительной головки 3 позволяет повысить точность измерения за счет снижения уровня наводок на измерительные цепи.
Измерительная головка 3 выполнена содержащей входной ключ 12, трансимпедансный усилитель 13, токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока усилителя 14, причем в цепи отрицательной обратной связи трансимпндансного усилителя 13 содержится набор резисторов 15, 16, 17 и последовательно соединенных с ними ключей 18, 19, которыми устанавливается диапазон измеряемых токов.
Методически, процедура измерения состоит в том, что на вход исследуемой МДП-структуры 2 подается тестовый сигнал, состоящий из суммы сигналов переменного тока малой амплитуды и постоянного или линейно-изменяющегося напряжения, определяющего диапазон исследуемых состояний системы. На выходе исследуемой МДП-структуры 2 измеряются постоянная и переменная компоненты тока, по которым вычисляются емкость и проводимость и строится график их зависимости от значений напряжения на входе исследуемой структуры.
o
При разомкнутом входном ключе 12 на выходе трансимпедансного усилителя 13 устанавливается напряжение пропорциональное току утечки входа самого трансимпедансного усилителя 13 и токов утечки по изоляции, проникающих на вход трансимпедансного усилителя 13 от внешних источников (I). Полагая, что коэффициент сигнала ошибки операционного усилителя А>>1, что реально имеет место в операционном усилителе, это напряжение имеет вид:
o
o
oc
U=IR
o
oc
0
где I - суммарный ток утечки трансимпедансного усилителя 13 при разомкнутом входном ключе 12, R - значение сопротивления в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя 13. Это напряжение измеряется блоком измерения напряжения 6 и код передается в блок обработки и отображения информации 7, а именно через блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной 10 в электронно-вычислительную машину 11, где вычисляется значение I.
к
0
c
0
и
0
к
В рабочем режиме, когда замыкается входной ключ 12, электронно-вычислительная машина 11 через цифро-аналоговый преобразователь 9 и подключенный к его выходу токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя 13 формирует ток - I=I, поступающий на вход трансимпедансного усилителя 13 в качестве тока компенсации. При замыкании входного ключа 12, на выходе трансимпедансного усилителя 13 будет действовать напряжение, определяемое суммой четырех токов: переменного емкостного тока I, поступающего на вход трансимпедансного усилителя 13 с выхода МДП-структуры 2 и обусловленного значением емкости МДП-структуры 2 и действием синусоидального напряжения частоты F, поступающего с выхода генератора тестового сигнала и напряжения смещения 1; постоянного тока I, так же поступающего на вход трансимпедансного усилителя 13 с выхода МДП-структуры 2 и обусловленного значением проводимости МДП-структуры и действием постоянного напряжения, установленного на выходе генератора тестового сигнала и напряжения смещения 1, тока утечки I и тока коррекции - I
вых
c
и
0
к
oc
c
и
oc
U=(I+I+I-I)R=(I+I)R.,
c
и
0
к
oc
где I и I - емкостная и постоянная составляющие тока протекающего через МДП-структуру 2, I - ток утечки, I - ток коррекции, R - значение сопротивления в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя.
0
0
0
Это напряжение через синхронный детектор 4, задающий интервал интегрирования, поступает на интегратор 5. Интегрирование за время равное половине периода частоты тестового сигнала F, 1/2F дает значение используемое при вычислении амплитуды емкостного тока исследуемой МДП-структуры 2, а при интегрировании за период 1/F, когда значение интеграла емкостной составляющей тока становится ровным нулю - импедансу. Расчеты производятся электронно-вычислительной машиной 11. Квантование выходных сигналов интегратора 5 осуществляется блоком измерения напряжения 6 выход которого через блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной 10 соединен с электронно-вычислительной машиной 11, которая соединена с блоком сопряжения с электронно-вычислительной машиной 10 двунаправленной линией связи. Электронно-вычислительная машина 11 осуществляет все расчеты, связанные с обработкой и отображением информации, а так же через блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной 10 инициирует связанный с ним блок управления 8, который делает исходные установки и запускает заявляемое устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот.
Точность измерения токов фемтоамперного уровня во многом определяется значением электрических шумов элементов входных цепей измерительного устройства. В заявляемой полезной модели применен трансимпедансный усилитель 13 у которого напряжение приведенного к входу шума определяется выражением:
,
23
ш
ш
ш
oc
где k=1.38×10 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - температура, К; дf - полоса пропускания усилителя (Гц); U - напряжение шума входного каскада трансимпедансного усилителя; I - токовая составляющая входного шума трансимпедансного усилителя; R - значение сопротивления в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя.
oc
Из приведенного выражения следует, что для уменьшения уровня тока шума, приведенного к входу трансимпедансного усилителя 13, требуется выбирать максимально возможное значение R. В этом случае уменьшается влияние как теплового шума, так и напряжение шума входного каскада. В заявляемой полезной модели сопротивление в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя 13 определяется значением измеряемых токов и составляет 10-100 ГОм, в зависимости от выбранного диапазона измерения, что обеспечивает минимально возможный уровень шума по сравнению с другими способами включения усилителей. Совместно с последующей фильтрацией шумов в интеграторе 5 коррекцией входного тока и токов утечки, это обеспечивают абсолютную погрешность измерения токов менее 1 фА.
В заявляемой полезной модели одновременно используются процедуры периодической коррекции, синхронного детектирования и фильтрации (интегрирования за период частоты тестового сигнала), позволяющие достичь требуемого результата.