Устройство для регистрации вольт-фарадных характеристик Советский патент 1991 года по МПК G01R31/28 H01L21/66 

Ј

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых структур при производстве интегральных микросхем. Цель изобретения - повышение точности. В устройство, содержащее генератор 1 синусоидального напряжения, блок 2 обработки, сумматор 9, источник 10 напряжения смещения, графопостроитель 11, резисторы 12 и 13, образцовый конденсатор 16 и избирательный усилитель 17, введены операционный усилитель 14 и загружающий фильтр 15, что позволяет сформировать через первый резистор 12 цепь отрицательной обратной связи каскада, состоящего из второго резистора 13, операционного усилителя 14 и заграждающего фильтра 15, при этом потенциал точки соединения первого вывода первого резистора 12 и второй клеммы для подключения измеряемого объекта 18 становится равным нулю, что обеспечивает соответствие между напряжением на выходе сумматора 9 и действительным падением напряжения смещения на измеряемом объекте 18. 1 ил.

О

ы ь о

Ј

усилитель 17, введены операционныйнич первого вывода первого резистора 12

усилитель 14 и загруждающий фильтр.и второй клеммы для подключения изме15, что позволяет сформировать черезряемого объекта 18 становится равным нупервый резистор 12 цепь отрицательнойлю, что обеспечивает соответствие

обратной связи каскада, состоящего из 5между напряжением на выходе сумматовторого резистора 13, операционногора 9 и действительным падением напряусилителя 14 и заграждающего фильтражения смещения на измеряемом объекте 18.

15, при этом потенциал точки соедине-1 ил.

Изобретение относится к области 15резистора 12 и через втброй резистор 13 к

электронной тех ни -и и может быть исполь-инвертирующему входу операционного усизовано для контроля качества полупровод-лителя 14, подсоединенного неинвертируюниковых структур при производствещим входом к общей шине и выходом - к

интегральных микросхем.входу заграждающего фильтра 15. выход коЦелью изобретения является повыше- 20торого соединен с вторым выводом первого

ние точности.резистора 12.

На чертеже представлена функциональ-Первый фазосдвигающий элемент 3, ная схема устройства для регистрациивход которого является первым входом бло- вольт-фарадных характеристик.ка 2 обработки, подключен выходом к пер- Схема содержит генератор 1 синусои- 25вому входу переключателя 5 и через второй дальнего напряжения, блок 2 обработки,фазосдвигающий элемент 4 к второму вхо- состоящий из первого и второго фазосдви-ду переключателя 5, выход которого под- гаю щи х элементов 3 и 4, переключателя 5,соединен через усилитель-ограничитель 6 усилителя-ограничителя 6, фазочувстви-к первому входу фазочувствительного вы- тельного выпрямителя 7 и масштабирующе- 30прямителя 7, второй вход которого является го элемента 8, сумматор 9, источник 10вторым входом блока 2 обработки. Выход напряжения смещения, графопостроительфаэочувствительного выпрямителя 7 соеди- 11, резисторы 12 и 13, операционный уси-нен с входом масштабирующего усилителя литель 14, заграждающий фильтр 15, об-8, выход которого является выходом блока 2 раэцовый конденсатор 16, избирательный 35обработки.

усилитель 17 и общую шину (не обозначена).Устройство для регистрации вольт-Фа- Эквивалентная схема измеряемого обьек-радных характеристик работает следующим та 18 представляет собой параллельно со-образом.

единенные резистор 19 и конденсатор 20.К измеряемом у объекту 18 приклады- Выход генератора 1 синусоидального 40вается через сумматор 9 сумма линейно из- напряжения соединен с первыми входамименяющегося напряжения смещения с блока 2 обработки и сумматора 9. Источниквыхода источника 10 и синусоидального те- 10 напряжения смещения соединен с вто-стового сигнала с выхода генератора 1 сину- рым входом сумматора 9, выход которогосоидального напряжения. Операционный подключен к горизонтальному входу гра- 45усилитель 14 с вторым резистором 13 на фопостроителя 11 и к одной клемме длявходе и заграждающий фильтр 15 охвачен подключения измеряемого объекта 18. Из-общей отрицательной обратной связью бирательный усилитель 17 соединен выхо-через первый резистор 12. Поскольку медом с вторым входом блока 2 обработки,инвертирующий вход операционного выход которого соединен с вертикальным 50усилителя 14 соединен с общей шиной, то входом графопостроителя 11. Образцовыйнапряжение на инвертирующем входе one- конденсатор 16 подключен одним выводомрационного усилителя 14 близко к его на- к входу избирательного усилителя 17 и кпряжению смещения. Учитывая, что через другой клемме для подключения измеряв-второй резистор 13 протекает только вход- мого объекта 18 и другим выводом - к выхо- 55ной ток операционного усилителя 14, значе- ду избирательного усилителя 17 и второмуние которого очень мало, напряжение на входу блока 2 обработки, выход которогопервом выводе первого резистора 12 также соединен с вертикальным входом графопо-близко к нулю. Падение напряжения Uz на строителя 11. Вход избирательного усилите-измеряемом объекте 18 равно ля 17 подключен к первому выводу первогоUz - Ug- URIZ-I, (1)

где Ug - значение напряжения на выходе сумматора 9;

UR12-1 - значение напряжения на первом выводе первого резистора 12. Поскольку значение1 напряжения на первом выводе первого резистора 12 близко к нулю, то действительное падание напряжения на измеряемом объекте 18 равно напряжению на выходе сумматора 9, фиксируемому графопостроителем 11. Второй резистор 13 введен для разделения входа избирательного усилителя 17 и инвертирующего входа операционного усилителя 14 Заграждающий фильтр 15 введен для подавления переменной составляющей сигнала, чтобы обратная связь по переменному току через первый резистор 12 не осуществлялась.

Выходное напряжение избирательного усилителя 17 равно

Uii(jw) U1(Jw)(ju) JwCiRx (2)

где Un(j(W)- значение напряжения на выходе избирательного усилителя 17;

Сх - емкость измеряемого объекта 18,

RX - сопротивление измеряемого объекта 18;

Ci - емкость образцового конденсатора 16;

ш- круговая частота синусоидального напряжения;

Ui(j 0}) - значение синусоидального напряжения (тестового сигнала) на выходе сумматора 9.

С выхода избирательного усилителя 17 сигнал, пропорциональный комплексной проводимости измеряемого объекта 18, поступает через второй вход блока 2 обработки на второй вход фазочувствительного выпрямителя 7. Синусоидальное напряжение с выхода генератора 1 через первый вход блока 2 обработки поступает на вход первого фазосдвигающего элемента 3, Напряжение с выхода первого фазосдвигающего элемента 3 через переключатель 5 поступает на вход усилителя-ограничителя 6. Опорное напряжение с выхода усилителя- ограничителя 6 поступает на первый вход фазочувствительного выпрямителя 7. Каждый фазосдвигающий элемент (3 и 4) осуществляет сдвиг фазы синусоидального тестового сигнала на 90°. При измерении емкости Сх конденсатора 20 измеряемого объекта 18 (при регистрации вольт-фарад- ной характеристики) на вход усилителя- ограничителя 6 через переключатель 5 поступает напряжение с выхода второго

фазосдвигающего элемента 4 Следовательно, фазовый сдвиг между тестовым сигналом на выходе генератора 1 синусоидального напряжения и опорным

5 напряжением на персом входе фазочувст- витгльного выпрямителя 7 составляет 180°

3 тгом случае фазочувстпительный выпрямитель 7 выделяет на своем выходе на0 пряжение, пропорциональное синфазной составляющей напряжении Un на выходе

избирательного усилителя 17, т е р

ипыхф В Ul -р К,(3)

5 где иВыхф4В1 - значение напряжения на выходе фазочувствительного выпрямителя 7,

К - коэффициент передачи фазочувствительного выпрямителя 7.

0 С выхода фазочувствительного выпрямителя 7 выпрямленное напряжение, пропорциональное емкости измеряемого объекта 18, поступает через масштабирующий элемент 8 на вертикальный вход

5 графопостроителя 1 1 С помощью масштабирующего элемента 8 производят нормирование выходного сигнала фазочувствительного выпрямителя 7 на всех пределах и режимах работы

0При измерении проводимости Gx измеряемого объекта 18 (регистрации вольт- сименской характеристики) на вход усилителя-ограничителя 6 через переключатель 5 поступает напряжение с выхода пер5 вого фазосдвигающего элемента 3. При этом фазовый сдвиг между тестовым сигналом на выходе генератора 1 синусоидального напряжения и опорным напряжением на первом входе фазочувствительного выпря0 мителя 7 составляет 90° В этом случае фа- зочувствительный выпрямитель 7 выделяет на своем выходе напряжение, пропорциональное реактивной составляющей напряжения Un на выходе избирательного

5 усилителя 17, т.е.

ивы, (А)

Таким образом, в результате включения первого резистора 12 в цепь отри0 цательной обратной связи каскада, состоящего из второго резистора 13, операционного усилителя 14 и заграждающего фильтра 15, потенциал точки соединения первого вывода первого резистора

5 12 и второй клеммы для подключения измеряемого объекта 18 становится равным нулю, что обеспечивает соответствие между напряжением на выходе сумматора 9 и действительным падением напряжения смещения на измеряемом объекте 18 во всем диапазоне изменения напряжения смещения. При этом на горизонтальный вход графопостроителя 11 подается напряжение смещения с выхода сумматора 9, что исключает погрешность регистрации вольт-фарадной характеристики, вносимой сумматором 9.

Максимальное отличие от нуля потенциала точки соединения первого вывода первого резистора 12 и второй клеммы для подключения измеряемого объекта 18 определяется следующим выражением:

UR12-1 loxi4Ri3 + eCMi4(5)

где 1Вх14 - значение входного тока операционного усилителя 14;

есм14 - напряжение смещения операционного усилителя 14;

Ri3 - значение сопротивления 13.

Для развязки входов избирательного усилителя 17 и операционного усилителя 14 достаточно обеспечить значение сопротивления 10 кОм. При использовании в качестве операционного усилителя 14 микросхемы К544УД1А имеем следующие значения величин, входящих в выражение (5): 1вх14 0,5 нА, есм14 50 мВ. Подставляя численные значения в выражение (5) имеем

UR12-1-0.5- 10 1-1

г9.

104 + 5010 3 0,5 101

+ 0,(6)

Из (6) видно, что составляющая выражения (5), вызванная наличие входного тока операционного усилителя 14, представляет собой величину второго порядка малости по сравнению с составляющей выражения (5), вызванной напряжением смещения (есм 50 мВ), т.е. выражение (б) можно переписать:

L)Ri2-i ecMi4.(7)

Использование изобретения позволяет повысить точность регистрации воль-г-фарадных характеристик измеряе- мых объектов за счет снижения абсолютной погрешности.

Формула изобретения Устройство для регистрации вольт-фарадных характеристик, содержащее источник напряжения смещения, сумматор, избирательный усилитель, два резистора, блок обработки, грофопостроитель, образцовый конденсатор, общую шину и геТнератор синусоидального напряжения, выход которого соединен с первым входом блока обработки и первым входом сумматора, подключенного вторым входом к выходу источника напряжения смещения и выходом к одной клемме для подключения измеряемого объекта, другая клемма для подсоединения которого подсоединена к входу избирательного усилителя, к первому выводу первого резистора и через образцовый

конденсатор выходу избирательного усилителя и жУ второму входу блока обработки, выход которого соединен с вертикальным входом графопостроителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено последовательно соединенными операционным усилителем и заграждающим фильтром, выход которого соединен со вторым выводом первого резистора, первый вывод которого подключен

через второй резистор к инвертирующему входу операционного усилителя, подсоединенного неинвертирующим входом к общей шине, а выход сумматора соединен с горизонтальным входом графопостроителя.