Устройство для измерения гистерезиса @ характеристик Советский патент 1986 года по МПК G01R31/26 H01L21/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества и измерения параметров МДП-структур.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства для измерения CV-характеристик за счет того, что с введением ряда новых блоков устройство позволяет быстро и с высокой точностью определять как сдвиг минимумов CV-характеристик исследуемой структуры вдоль оси напряжений, так и значения минимальных емкостей.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства для измерения гистерезиса CV- характеристик; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для измерения гистерезиса CV-характеристик содержит генератор 1 тестового сигнала, суммирующий усилитель 2, две клеммы 3, 4 для подключения исследуемой структуры, усилитель 5, эталонный конденсатор б, компаратор 7 нуля, первый, второй, третий, четвертый, пятый элементы 8-12 дифференцирования соответственно, элемент 13 задержки, компаратор 14, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 15 последовательных приближений, первый и второй элементы И-НЕ 16, 17, первый, второй и третий элементы И 18, 19, 20, пиковый детектор 21, первый и второй источники 22, 23 эталонного напряжения, первый и второй аналоговые ключи 24, 25, интегратор 26, первый и второй пороговые элементы 27, 28, первый, второй, третий, четвертый RS- триггеры 29 -32, первый и второй регистры 33, 34, первый, второй, третий и четвертый индикаторы 35-38, первый и второй счетчики 39, 40, элемент НЕ 41, генератор 42 опорной частоты, конденсатор 43 сброса, резистор 44 сброса, элемент 45 пуска, счетный триггер 46.

Выход генератора 1 тестового сигнала соединен с первым входом суммирующего усилителя 2, выход которого соединен с первой клеммой 3 для подключения исследуемой структуры, вторая клемма 4 для подключения которой соединена с входом усилителя 5 и первым выводом эталонного конденсатора 6, второй вывод которого подключен к выходу усилителя 5, входу компаратора 7 нуля и аналоговому входу пикового детектора 21. Выход компаратора 7 нуля соединен с входом первого 8 и через счетный триггер 46 с входом второго 9 элементов дифференцирования, выход первого элемента 8 дифференцирования подключен к входу сброса пикового детектора 21, выход которого подключен к аналоговому входу АЦП 15 и первому входу компаратора 14, выход второго элемента 9 дифференцирования соединен с вторым входом первого элемента И-НЕ 16 и через элемент задержки 13 - с входом запуска АЦП 15, аналоговый выход которого соединен с вторым входом

0

компаратора 14, а цифровые выходы - с информационными входами первого 33 и второго 34 регистров. Второй вход первого элемента И-НЕ 16 соединен с выходом компаратора 14, выходы первого 22 и второго 5 23 источников эталонного напряжения подключены к первым входам соответственно первого 24 и второго 25 аналоговых ключей, выходами соединенных с входом интегратора 26, выходом подключенного к первым

Q входам первого 27 и второго 28 пороговых элементов и к второму входу суммирующего усилителя 2. Второй вход первого элемента 27 подключен к источнику опорного напряжения, а его выход - к R-входу первого триггера 29, второй вход второго порогового

5 элемента 28 соединен с общей щиной, а его выход - с первым входом второго 19 и третьим входом первого 18 элемента И и через третий элемент 10 дифференцирования - с первым входом третьего элемента И 20. Прямой выход первого триггера 29 подключен к второму входу первого аналогового ключа 24, а инверсный выход соединен с вторым входом второго аналогового ключа 25 и с первым входом второго элемента И-НЕ 17, выход второго триггера 30 соединен с входом

5 обнуления интегратора 26, S-входы первого 29, второго 30 и четвертого 32 триггеров и R-вход третьего триггера 31 соединены с первым выводом элемента 45 пуска и входами сброса первого 39 и второго 40 счетчиков. Второй вывод элемента 45 пуска соеди0 нен с общей щиной и первым выводом конденсатора 43 сброса, второй вывод которого связан с вторым входом третьего элемента И 20, выход которого подключен к R-входу второго триггера 30 и через резистор 44 сброса - с источником питания. Выход первого

5 элемента И-НЕ 16 соединен с R-входом четвертого триггера 32 и через элемент НЕ 41 - с вторым входом второго элемента И-НЕ 17, выход которого соединен с S-входом третьего триггера 31, выходом подключенного к второму входу первого элемента И 18 и через пятый элемент 12 дифференцирования - с входом управления первого регистра 3. Первый вход первого элемента И 18 и второй вход второго элемента И 19 соединены с выходом генератора 42 опорной частоты, выходы первого 18 и второго 19 элементов И подключены к счетным входам соответственно первого 39 и второго 40 счетчиков, выход четвертого триггера 32 соединен с третьим входом второго элемента И 19 и через четвертый элемент 11 дифференцирования - с входом управления второго регистра 34, выходы первого 33 и второго 34 регистров соединены с входами соответственно первого 35 и второго 36 индикаторов, а выходы первого 39 и второго 40 счетчиков связаны с входами соответственно третьего

37 и четвертого 38 индикаторов.

Устройство для измерения гистерезиса ITV-характеристик работает следующим образом.

5

0

Гистерезис CV-характеристик характеризуется сдвигом минимального значения емкости МДП-структуры по координатам С и V. Положения минимумов характеризуются значениями Cmml, Vmml И Сшт2, Vmm2 ДЛЯ ПрЯМОЙ

И ббратной ветви развертки напряжения смещения соответственно. Напряжение тестового сигнала с выхода генератора 1 тестового сигнала и напряжение смещения с интегратора 26 суммируются усилителем 2 и поступают через исследуемую структуру на усилитель 5, в обратной связи которого включен эталонный конденсатор 6, задающий коэффициент преобразования емкости структуры в выходное напряжение усилителя 5. При включении устройства сигналом со схемы сброса (конденсатор 43, резистор 44) через элемент И 20 производится сброс второго триггера 30, который обнуляет интегратор 26. При включении элемента 45 пуска устанавливаются триггеры 29, 30, при этом интегратор начинает интегрировать напряжение второго источника эталонного напряжения, поступающее через второй аналоговый ключ 25 на вход интегратора (фиг. 2, а,г,е). При нулевом значении напряжения смещения UCM (на выходе интегратора) срабатывает второй пороговый элемент 28 (фиг. 1, 2,6). Когда UCM достигает уровня Uoh срабатывает первый пороговый элемент 27 (фиг. 2, в), при этом первый триггер 29 сбрасывается, а к выходу интегратора подключается через первый аналоговый ключ 24 напряжение с первого источника 22 эталонного напряжения. На выходе интегратора формируется обратная ветвь развертки напряжения смещения. При нулевом значении Uc BHOBb срабатывает пороговый элемент 28, сигнал которого дифференцируется третьим элементом 10 дифференцирования (фиг. 2,д) который через элемент И 20 сбрасывает триггер 30, интегратор обнуляется и развертка напряжения смещения прекращается. Элементы генератора развертки смещения управляют и другими элементами устройства. Напряжение усилителя 5 детектируется пиковым детектором 21 (фиг. 2,ж). Компаратор 7 нуля преобразует гармонический сигнал усилителя 5 (фиг. 3,п) в прямоугольные импульсы (фиг. 3,р), фронты которых соответствуют переходам гармонического сигнала через нулевой уровень. Первый и второй элементы 8, 9 дифференцирования, счетный триггер 46 формируют короткие строб-импульсы (фиг 3, с,т). Строб- импульс Uc обнуляет пиковый детектор 21 (фиг. 3,у), а строб-импульс UT через элемент 13 задержки запускает АЦП 15 (фиг.3,ф,х), АЦП последовательных приближений обладает высоким быстродействием и содержит АЦП. Это обусловило выбор в качестве АЦП аналого-цифрового преобразователя последовательных приближений. Запуск АЦП производится через период гармонического сигнала. Поэтому в момент прихода импульса UT на второй вход первого элемента И-НЕ 16 на входах компаратора присутствует напряжение пикового детектора, соответствующего амплитуде сигнала в текущий период, и напряжение на аналоговом выходе АЦП, соответствующее амплитуде за предыдущий период. Запуск АЦП задерживается элементом 13 на время, достаточное для срабатывания компарато ра 14 и первого элемента И-НЕ 16. При возраста0 НИИ величины емкости МДП-структуры из-за изменения смещения на выходе И-НЕ 16 появляются импульсы, когда текущее значение амплитуды сигнала на выходе усилителя 5 (и) больще предыдущего значения (U ), хранимого в цифроаналоговом

преобразователе АЦП 15 (фиг. 2,з). При пуске устройства устанавливается четвертый триггер 32, разрещая прохождение сигнала с генератора 42 опорной частоты через второй элемент И 19 на второй счетчик

0 40 (фиг. 2,о). Первый импульс с выхода элемента И-НЕ 16 сбрасывает триггер 32, элемент И 19 блокируется. При этом в счетчике 40 записывается число, соответствующее значению Ummi, высвечиваемое на четвертом индикаторе 38. Сигнал триггера 32

5 дифференцируется четвертым элементом 11 дифференцирования (фиг. 2,п) и записывает код с АЦП 15, соответствующий значению Cmini, во второй регистр 34, содержимое которого высвечивается на втором индикаторе 36. Третий триггер 31 сбрасывается при пуске

устройства, а устанавливается первым импульсом элемента И-НЕ 16 при обратном ходе развертки (фиг. 2,к). Сигнал с триггера 31 открывает первый элемент И 18, а через пятый элемент 12 дифференцирования записывает в первый регистр 33 код, соответствующий значению Стш2, которое высвечивается на первом индикаторе 35. Счетчик 39 начинает считать импульсы генератора 42 опорной частоты. Когда UCM достигает нулевого значения, сбрасывает пороговый эле0 мент 28, блокируя элемент И -19. Содержимое счетчика 40 соответствует Umm2, которое высвечивается на четвертом индикаторе 38 (фиг. 2, е,н). При пуске устройства счетчики 39, 40 обнуляются.

45

Формула изобретения

Устройство для измерения гистерезиса CV-характеристик, содержащее генератор

тестового сигнала, две клеммы для подключения исследуемой структуры, усилитель, эталонный конденсатор, первый и второй аналоговый ключи, отличающееся тем, что, с целью расщирения функциональных возможностей, в него введены суммирующий усилитель, пиковый детектор, компаратор нуля, аналого-цифровой преобразователь последовательных приближений, компаратор, первый и второй источники эталонного напряжения, интегратор, первый и второй пороговые элементы, первый, второй, третий, четвертый, пятый элементы дифференцирования, элемент задержки, первый, второй, третий, четвертый RS-триггеры, элемент НЕ, первый и второй элементы И-НЕ, первый, второй и третий элементы И, генератор опорной частоты, первый и второй регистры, первый и второй счетчики, первый, второй, третий и четвертый индикаторы, конденсатор сброса, резистор сброса, элемент пуска, счетный триггер, причем выход генератора тестового сигнала соединен с первым входом суммирующего усилителя, выход которого соединен с первой клеммой для подключения нс- следуемой структуры, для подключения которой вторая клемма соединена с входом усилителя и первым выводом эталонного конденсатора, второй вывод которого подключен к выходу усилителя, входу компаратора нуля и к аналоговому входу пикового детектора, выход компаратора нуля соединен с вхрдом первого и через счетный триггер - с входом второго элемента дифференцирования, выход первого элемента дифференцирования подключен к входу сброса пикового детектора, выход которого подключен к аналоговому входу аналого-цифрового преобразователя и к первому входу компаратора, выход второго элемента дифференцирования соединен с вторым входом первого элемента И-НЕ и через элемент задержки - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, аналоговый выход которого соединен с вторым входом компаратора, а цифровые выходы - с информационными входами первого и второго регистров, второй вход первого элемента И-НЕ соединен с выходом компаратора, выходы первого и второго источников эталонного напряжения подключены к первым входам соответственно первого и второго аналоговых ключей, выходами соединенных с входом интегратора, выходом подключенного к первым входам первого и второго пороговых элементов и к второму входу суммирующего усилителя, второй вход первого порогового

элемента подключен к источнику эталонного напряжения, а его выход - к R-входу первого триггера, второй вход второго порогового элемента соединен с общей щиной, а его выход - с первым входом второго и третьим входом первого элементов И и через третий элемент дифференцирования - с первым входом третьего элемента И, прямой выход первого триггера подключен к второму входу первого аналогового ключа, а инверсо ньш выход соединен с вторым входом второго аналогового ключа и с первым входом второго элемента И-НЕ, выход второго триггера соединен с входом обнуления интегратора, S-выходы первого, второго и четвертого триг- , геров и R-вход третьего триггера соединены с первым выводом элемента пуска и входами сброса первого и второго счетчиков, второй вывод элемента пуска соединен с общей щиной и первым выводом конденсатора сброса, второй вывод которого связан с 0 вторым входом третьего элемента И, выход которого подключен к R-входу второго триггера, и через резистор сброса - с источником питания, выход первого элемента И-НЕ соединен с R-входом четвертого триггера и через элемент НЕ - с вторым входом второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с S-входом третьего триггера, выходом подключенного к второму входу первого элемента И, и через пятый элемент дифференцирования - с входом управления первого регистра, первый вход первого элемента И и второй вход второго элемента И соединены с выходом генератора опорной частоты, выходы первого и второго элементов И подключены к счетным входам соответственно первого и второго счетчиков, выход четвер- того триггера соединен с третьим входом второго элемента И и через четвертый элемент дифференцирования - с входом управления второго регистра, выходы первого и второго регистров соединены с входами соответственно первого и второго индикато- ров, а выходы первого и второго счетчиков связаны с входами соответственно третьего и четвертого индикаторов.

Изобретение относится к измерительной технике. Может быть использовано для контроля качества и измерения параметров МДП-структур. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства для измерения CV-характеристик. В устройство, содержащее генератор 1 тестового сигнала, клеммы 3, 4 для подключения исследуемой структуры, усилитель 5, конденсатор 6 эталонный, аналоговые ключи 24, 25, для достижения цели введены суммирующий усилитель 2, пиковый детектор 21, компаратор нуля 7, аналого-цифровой преобразователь 15 последовательных приближений, компаратор 14, источники 22, 23 эталонного напряжения, интегратор 26, пороговые элементы 27, 28, элементы дифференцирования 8, 9, 10, 11, 12, элемент задержки 13, RS- триггеры 29, 30, 31, 32, элемент НЕ 41, элементы И-НЕ 16, 17, элементы И 18, 19, 20, генератор 42 опорной частоты, регистры 33, 34, счетчики 39, 40, индикаторы 35-38, конденсатор 43 сброса, резистор 44 сброса, элемент 45.пуска, счетный триггер 46. Устройство позволяет быстро и с высокой точностью определять как сдвиг минимумов CV-характеристик исследуемой структуры вдоль оси напряжений, так и значения минимальных емкостей. 3 ил. (Л Ю 4 1

.cmint- j I

f I

UK

Л

гм

f//

Li

z y IT

7

.e:JL

У:yir

v: