УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Советский патент 1997 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения и контроля параметров полупроводниковых материалов.

Цель изобретения повышение точности измерения за счет полного устранения воздействия компенсирующего напряжения на исследуемую полупроводниковую структуру путем осуществления компенсации экспоненциально изменяющейся составляющей напряжения не в самой измерительной схеме, а обработкой выходного сигнала измерительной схемы.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит генератор импульсов 1, формирователь инжектирующих импульсов 2, формирователь опорного напряжения 3, первый резистор 4 с сопротивлением R, второй резистор 5 сопротивления R₀, операционный усилитель 6, клеммы 7 для подключения исследуемой полупроводниковой структуры, первый блок выборки и хранения 8, блок вычитания напряжений 9, ключ 10, источник постоянного напряжения 11, первый блок суммирования напряжений 12, масштабирующий преобразователь 13, третий блок выборки и хранения 14, дифференциатор 15, второй блок суммирования напряжений 16, второй блок выборки и хранения 17.

Первый выход генератора импульсов 1 соединен со входами формирователя инжектирующих импульсов 2 и формирователя опорного напряжения 3, выходы которых через первый и второй резисторы 4 и 5 соответственно подключены к входу операционного усилителя 6, на входе и выходе которого имеются клеммы 7 для подключения исследуемой полупроводниковой структуры. Выход операционного усилителя 6 соединен с входом первого блока выборки и хранения 8 и с одним из входов блока вычитания напряжений 9, второй вход которого подключен к выходу первого блока выборки и хранения 8. Выход блока вычитания напряжений 9 соединен с аналоговым входом ключа 10, выход которого соединен с первыми входами первого и второго блоков суммирования напряжений 12 и 16. Управляющий вход ключа 10 подключен к первому выходу генератора импульсов 1. Выход источника постоянного напряжения 11 подключен к второму входу первого блока суммирования напряжений 12, выход которого соединен с входом масштабирующего преобразователя 13. Выход масштабирующего преобразователя 13 соединен с входами третьего блока выборки и хранения 14 и дифференциатора 15. Выход дифференциатора 15 подключен к второму входу второго блока суммирования напряжений 16, выход которого соединен с входом второго блока выборки и хранения 17. Выход последнего соединен с управляющим входом масштабирующего преобразователя 13. Второй выход генератора импульсов 1 подключен к управляющим входам первого и третьего блоков выборки и хранения 8 и 14. Третий выход генератора импульсов 1 подключен к управляющему входу второго блока выборки и хранения 17.

Устройство для измерения времени жизни неосновных носителей заряда работает следующим образом.

Генератор импульсов 1 вырабатывает последовательность импульсов, управляющую работой формирователя инжектирующих импульсов 2, формирователя опорного напряжения 3, ключа 10, первого, второго и третьего блоков выборки и хранения 8, 17 и 14.

Формирователь инжектирующих импульсов 2 через первый резистор 4 подает на вход операционного усилителя 6 инжектирующие импульсы, полярность которых выбирается в зависимости от типа проводимости исследуемой полупроводниковой структуры (для полупроводника n-типа импульсы положительной полярности, для p-типа отрицательной), -U₂ на фиг. 2. Во время действия инжектирующих импульсов выходное напряжение формирователя опорного напряжения 3 равно нулю, -U₃ на фиг. 2. В исследуемой полупроводниковой структуре, подключенной к клеммам 7, задается необходимый ток инжекции, значение которого в течение действия инжектирующего импульса остается неизменным независимо от уменьшения сопротивления структуры, вызванного инжекцией носителя зарядов. После окончания действия инжектирующего импульса происходит рекомбинация неосновных носителей зарядов (н.н.з.), приводящая к увеличению сопротивления полупроводника. Увеличение сопротивления структуры в процессе рекомбинации происходит, в первом приближении, по экспоненциальному закону.

Сопротивление полупроводниковой структуры
R_стр (t) R₁ + R₂(t),
где R₁ неизменяющаяся во времени часть сопротивления (сопротивление толщи образца, контактное переходное сопротивление);
R₂(t) неизменяющаяся по экспоненциальному закону с постоянной времени τ часть сопротивления структуры.

Постоянная времени переходного процесса в измерительной цепи (постоянная времени процесса рекомбинации) t характеризует время жизни н.н.з. в полупроводнике.

Сопротивление полупроводниковой структуры в оперативной форме имеет вид
.

После окончания действия инжектирующего импульса формирователь опорного напряжения 3 через второй резистор 5 подает на вход операционного усилителя 6 опорное напряжение U_о. Изображение по Лапласу выходного напряжения операционного усилителя 6 имеет вид
.

Переходя к оригиналам, получим
,
-U₆ на фиг. 2.

Первый блок выборки и хранения 8, управляемый импульсами со второго выхода генератора импульсов 1 (U_1-2 на фиг. 2), осуществляет измерение и запоминание мгновенных значений выходного напряжения операционного усилителя 6 в установившемся режиме, т.е. после практического окончания переходного процесса в измерительной схеме t>6τ
.

При помощи блока вычитания напряжений 9 выходное напряжение первого блока выборки и хранения 8 вычитается из выходного напряжения операционного усилителя 6 (U₉ на фиг. 2).

Ключ 10 замыкается на время действия импульсов опорного напряжения и размыкается на время действия инжектирующих импульсов. Таким образом, во время действия инжектирующих импульсов напряжение на выходе ключа 10 равно нулю (U₁₀ на фиг. 2).

Напряжение с выхода ключа 10

суммируется первым блоком суммирования напряжений 12 с постоянным напряжением U₁ с выхода источника постоянного напряжения 11 и масштабируется масштабирующим преобразователем 13 с коэффициентом передачи К (U₁₃ на фиг. 2).

.

Дифференциатором 15 это напряжение дифференцируется (U₁₅ на фиг.2).

,
где τ_д постоянная дифференцирования дифференциатора 15.

Второй блок суммирования напряжений суммирует напряжение с выхода ключа 10 и с выхода дифференциатора 15
.

Второй блок выборки и хранения 17, управляемый импульсами с третьего выхода генератора импульсов 1 (U_1-3 на фиг.2), осуществляет измерение и запоминание мгновенных значений выходного напряжения второго блока суммирования напряжений 16 в момент времени, соответствующий протеканию переходного процесса в измерительной схеме, обусловленного рекомбинацией н.н.з. Время задержки импульса с третьего выхода генератора импульсов 1 от начала процесса рекомбинации (конца инжектирующего импульса) выбирается оператором исходя из ожидаемого диапазона значений τ или по осциллограмме выходного напряжения операционного усилителя 6. Операция выбора времени задержки этого импульса может быть легко автоматизирована путем аппаратурного анализа изменения напряжения на выходе операционного усилителя. В случае неравенства экспоненциально изменяющихся напряжений на выходе ключа 10 и на выходе дифференциатора 15 в момент времени, соответствующий положению импульса на третьем выходе генератора импульсов 1, выходное напряжение второго блока выборки и хранения 17 воздействует на управляющий вход масштабирующего преобразователя 13, изменяя его коэффициент передачи К до тех пор, пока выходное напряжение второго блока суммирования напряжения 16 не станет равным нулю. При этом
.

Третий блок выборки и хранения 14, управляемый импульсами с второго выхода генератора импульсов 1 (U_1-2 на фиг. 2), осуществляет измерение и запоминание мгновенных значений выходного напряжения масштабирующего преобразователя 13 в установившемся режиме, т.е. после практического окончания переходного процесса в измерительной схеме при t>τ. Выходное напряжение третьего блока выборки и хранения 14

пропорционально значению τ, т.е. времени жизни н.н.з.

В предлагаемом устройстве компенсация экспоненциально изменяющейся составляющей выходного напряжения измерительной схемы осуществляется не в самой измерительной схеме (как в прототипе), вне ее. При этом отпадает необходимость устранения влияния компенсирующего напряжения на процесс инжекции носителей зарядов в исследуемый образец. Тем самым устраняется основной источник погрешности измерения в устройстве-прототипе.

Основной вклад в образование погрешности в заявляемом устройстве вносит дифференциатор 15. Как известно, точность дифференцирования активными дифференциаторами на операционных усилителях существенно выше точности дифференцирования пассивной RC-цепью. Однако активным дифференцирующим устройством принципиально присуща погрешность преобразования, обусловленная требованием бесконечного возрастания коэффициента усиления с ростом частоты. Для устранения самовозбуждения применяют различные корректирующие и сглаживающие цепи, что приводит к искажению передаточной функции дифференциатора и, следовательно, к появлению дополнительной погрешности преобразования.

Наиболее часто используется схема дифференциатора на ОУ с сопротивлением R_д в цепи обратной связи и последовательной цепочкой из сопротивления R_к и конденсатора C_д, подключенная к входу операционного усилителя (ОУ), где R_дC_д = τ_д R_к служит для частотной коррекции и устранения самовозбуждения. При использовании такой схемы в качестве дифференциатора 15 коэффициент передачи последнего описывается выражением
.

Изображение по Лапласу выходного напряжения дифференциатора 15
.

Переходя к оригиналам, получим
.

Выходное напряжение второго блока суммирования напряжений 16
.

Отсчет измеренного значения τ путем измерения и запоминания третьим блоком выборки и хранения 14 значения выходного напряжения масштабирующего преобразователя 13 при t>6τ осуществляется при равенстве нулю экспоненциально изменяющегося напряжения в выбранном временном сечении, т.е. при выбранном времени задержки импульса на управляющем входе второго блока выборки и хранения 17.

Решив это уравнение относительно K, можно определить фактическое значение K, при котором достигается компенсация экспоненциально изменяющегося напряжения на выходе ключа 10.

Если U₁ U₀, то

Относительная погрешность определения К, а значит и τ по K•U₁, определяется выражением

Для уменьшения погрешности дифференцирования дифференциатором 15 необходимо выбирать R_дC_д < τ Поскольку R_к<R_д, при t≥τ

Например, при значениях t 100 мкс, К 0,5 и R_д 20 кОм, R_к 100 кОм

Таким образом, в предлагаемом устройстве устранен основной источник погрешности определения значения τ

Устройство для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниках, содержащее формирователь инжектирующих импульсов, формирователь опорного напряжения, первый и второй резисторы, операционный усилитель с клеммами для подключения исследуемого полупроводника на входе и на выходе, первый и второй блоки выборки и хранения, масштабирующий преобразователь и генератор импульсов, первый выход которого соединен с входами формирователя инжектирующих импульсов и формирователя опорного напряжения, выходы которых через первый и второй резисторы соответственно подключены к первому входу операционного усилителя, второй вход которого подключен к общей шине, а выход операционного усилителя соединен с входом первого блока выборки и хранения, а второй и третий выходы генератора импульсов соединены соответственно с управляющими входами первого и второго блоков выборки и хранения соответственно, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно дополнительно снабжено ключом, источником постоянного напряжения, первым и вторым блоками суммирования напряжений, третьим блоком выборки и хранения, дифференциатором и блоком вычитания напряжений, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, второй вход соединен с выходом первого блока выборки и хранения, а выход блока вычитания напряжений соединен с аналоговым входом ключа, управляющий вход которого соединен с первым выходом генератора импульсов, а выход ключа соединен с первыми входами первого и второго блоков суммирования напряжений, причем выход источника постоянного напряжения подключен к второму входу первого блока суммирования напряжений, выход которого соединен с входом масштабирующего преобразователя, выход которого соединен с входами третьего блока выборки и хранения и дифференциатора, выход которого соединен с вторым входом второго блока суммирования напряжений, выход которого соединен с входом второго блока выборки и хранения, выход которого подключен к управляющему входу масштабирующего преобразователя, а управляющий вход третьего блока выборки и хранения подключен к второму выходу генератора импульсов.

Устройство для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниках, содержащее формирователь инжектирующих импульсов, формирователь опорного напряжения, первый и второй резисторы, операционный усилитель с клеммами для подключения исследуемого полупроводника на входе и на выходе, первый и второй блоки выборки и хранения, масштабирующий преобразователь и генератор импульсов, первый выход которого соединен с входами формирователя инжектирующих импульсов и формирователя опорного напряжения, выходы которых через первый и второй резисторы соответственно подключены к первому входу операционного усилителя, второй вход которого подключен к общей шине, а выход операционного усилителя соединен с входом первого блока выборки и хранения, а второй и третий выходы генератора импульсов соединены соответственно с управляющими входами первого и второго блоков выборки и хранения соответственно, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно дополнительно снабжено ключом, источником постоянного напряжения, первым и вторым блоками суммирования напряжений, третьим блоком выборки и хранения, дифференциатором и блоком вычитания напряжений, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, второй вход соединен с выходом первого блока выборки и хранения, а выход блока вычитания напряжений соединен с аналоговым входом ключа, управляющий вход которого соединен с первым выходом генератора импульсов, а выход ключа соединен с первыми входами первого и второго блоков суммирования напряжений, причем выход источника постоянного напряжения подключен к второму входу первого блока суммирования напряжений, выход которого соединен с входом масштабирующего преобразователя, выход которого соединен с входами третьего блока выборки и хранения и дифференциатора, выход которого соединен с вторым входом второго блока суммирования напряжений, выход которого соединен с входом второго блока выборки и хранения, выход которого подключен к управляющему входу масштабирующего преобразователя, а управляющий вход третьего блока выборки и хранения подключен к второму выходу генератора импульсов.