Устройство для измерения подвижности носителей тока в полупроводниках Советский патент 1982 года по МПК H01L21/66 G01R31/26 

Изобретение относится к койтролю параметров полупроводников и может быть использовано для контроля электрофизических свойств МПД - структур различных полупроводников, полимеров и диэлектрических пленок.

Известны устройства для измерения подвижности носителей тока в полупроводниках. .

Известно устройство, которое содержит генератор переменного напряжения, двигатели частоты, обмотку электромагнита, усилители, фильтры и регистратор. Его работа основана на измерении проводимости образца, яэы&няющейся под действием магнитного поля ID.

Недостатком такого устройства является невысокая точность измерения подвижности и отсутствие возможности измерения угловой составляющей комплексной подвижности.

Известно также устройство, содержащее высокочастотные генераторы, смеситель, низкочастотный и высокочастотный фильтры, избирательный усилитель, амплитудный детектор и регистратор. Оно позволяет измерять подвижность носителей тока путем измерения проводимости образца, измеияккцейся под действием эффекта поля, приложенного к образцу t23.

Недостатками этого технического . рщцения являются низкая чувствитель ность к изменению величины эффективной подвижности в диапазоне частот, болыная погрешность, обусловлеи:ная непосредством напряжения генераторов в полосе частот и невозмож10ность иэ 4eнeния фазы подвижности носителей тока при перестройке частоты.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения подвижности носителей тока в полу15проводниках, содержащее два генератора опоршлх частот, исходами подключенных ко входг1М балансного смесителя, выход которого соединен со входами фильтров верхних и нижних час- .

20 тот, генератор частоты коммутации, выход которого подключен к управляющему входу автоматического коммутатора, соединенного выходом со входом широкополосного усилителя, переключа25тель, для подключения одного полевого и двух торцовых электродов исследуемого образца, одна из клемм для подключения торцового электрода соединена с выходом генератора первой опорной частоты, другая подклюiSHa к первому выводу измерительного резистора, соединенного другим выводом с общей шиной, а также подключена через избирательный усилитель ко входу первого амплитудного детектора, и соединены последовательно усилитель частоты коммутации, синхронный детектор и регистрирующий прибор вход управления синхронного детектор подключен к выходу генератора частот коммутации (З). Недостатком этого устройства явля ется то, что оно имеет ограниченные функциональные возможности, так как не позволяет измерять в диапазоне частот изменение фазы подвижности носителей тока. Цель изобретения - расширение фун циональных возможностей ус,трЪйства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения подвижности носителей тока в полупро вбдниках,. содержащее два генератора опорных частот, выходами подключенны ко входам балансного смесителя, выход KOTopQro соединен со входами фильтров верхних и нижних частот, генератор частоты коммутации, выход которого подключен к управляющему входу автоматического коммутатора, соединенного выходом со входом широкополосного усилителя, переключатель клеммы для подключения одного полевого и двух торцовых электродов исследуемого образца, одна из клемм для подключения торцового электрода соединена с выходом генератора первой опорной частоты, другая подключе на к первому выводу измерительного резистора, соединенного другим выводом с общей шиной, а также подключена через избирательный усилитель ко входу первого амплитудного детектора, и соединенные последовательно усилитель частоты коммутации, синхро ный детектор и регистрирующий прибор вход управления синхронного детектора подключен к выходу генератора частоты коммутации, введены два фaзo вращателя, аттенюатор, второй амплитудный детектор, амплитудный ограничитель и два фазовых детектора, причем фазовращатели включены.последова тельно между выходом фильтра нижних частот и одним из входом автоматичес кого коммутатора, другой вход которо го соединен с выходом фильтра верхни частот через аттенюатор, амплитудный ограничитель подключен к выходу изби рательного усилителя, а выходом - к одному из входов первого фазового де тектора, другой вход которого соединен с выходом генератора второй опор ной частоты, входы второго фазового детектора соединены с выходами балансного смесителя и широкополосного усилителя соответственно, второй амплитудный детектор .также подключен к выходу широкополосного усилителя, соединенному с клeIvIмoй для подключения полевого электрода исследуемого образца, входы переключателя соединены, соответственно, с выходами первого и второго амплитудных детекторов, и выходами первого и второго фазовых детекторов, а его выход подключен ко входу усилителя частоты коммутации . Предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями по сравнению с .известным, так как позволяет помимо модуля под вижности носителей тока измерять также иизменение фазы подвижности в широком диапазоне частот. На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства. Устройство для измерения подвижности носителей тока в полупроводниках содержит два генератора опорной частоты 1 и 2, выходами подключенных ко входам балансного смесителя 3, выход которого соединен со входами фильтров верхних 4 и нижних 5 частот, генератор б частоты коммутации, выход которого подключен к управляющему входу автоматического коммутатора 7, соединенного со входом широкополосного усилителя 8, переключатель клеммы для подключения электродов исследуемого образца 9, одна из которых соединена с выходом генератора первой опорной частоты, другая подключена к первому выводу измерительного резистора 10, соединенного другим выходом с общей шиной, а также подключена через избирательный усилитель 11 ко входу первого амплитудного детектора 12, и соединенные последовательно усилитель 13 частоты коммутации, синхронный детектор 14 и регистрирующий прибор 15, вход управления синхронного детектора подключен к выходу генератора частоты коммутации, в которое введены два фазовращателя 16 и 17 аттенюатор .18, амплитудный ограничитель 19, два фазовых детектора и второй амплитудный детектор, причем фазовращатели включены последовательно между выходом фильтра нижних частот и одним из входов автоматического коммутатора. Другой вход которого соединен с выходом фильтра верхних частот через аттенюатор, амплитудный ограничитель подключен входом к выходу избирательного усилителя, а выходом - к одному из входов первого фазового детектора 20, другой вход которого соединен с выходом генератора второй опорной частоты, входы второго фазового детектора 21 соединены с выходом балансного смесителя и широкополосного усилителя соответственно, второй амплитудный детектор 22 также подключен к выходу широкополосного усилителя, соединенному с клеммой для подключения полевого электрода исследуемого образца, вхо ды переключателя 23 соединены с вых дами первого и второго амплитудных детекторов и с выходами первого и второго фазовых детекторов, а его выход подключен ко входу усилителя частоты коммутации. Устройство работает следующим об разом. Сигналы перестраиваемых генераторов 1 и 2 опорных частот Ui Um Ccosiu t - if) 2 - где Оп,, ,,V2- соответственно амплитуды и начальные фазы исходных ригналов, смешиваются балансным смесителем 3 ) гЧ ) (2 где ,.мпяктуда результирующего сигнала; S - крути на характеристики балансного смесителя. С по1«ющью фильтра 4 высоких част выделяют сигнал суммарной частоты „ , cos С ц u))t+ Ч,, (3 а фильтром нижних частот шаделяют разностный сигнал f U.cos Cu,- u,)t Частоты iM и регулируют так, чтобы разностная частота Шр j - ш оставалась постоянной, а суммарная частота Х0с изменялась в рабочем диапазоне частот контролируемого образца проводникового материа ла. Из гармонических сигналов разностной и суммарной частот путем поочередной коммутации с низкой час тотой .«г , задаваемой коммутационным генератором 6 (Я « Шр ), на выходе автоматического переключателя 7 формируют пакеты сигналов разностной и суммарной частот, следую- щих поочередно, которые используют для создания поперечного электрического поля образца. Тянущее элект ческое поле образца образует один из исходных сигналов, например U, причем предварительно фазу сигнала разностной частоты регулируют фазовращатели 16 и 17, амплитуду сигнал суммарной частоты - аттенюатор 18. К выходу переключателя 7 подключен широкополосный усилитель 8, определяющий необходимый уровень ;напряженности поперечного электрического поля в контролируемом образце 9. Выход широкополосного усилителя 8 подключен к входной клемме и кон тролируемого образца, соединенной с полевым электродом. Входная клемма Б , соединенная с одним торцовым электродом контролируемого образца, подключена к выходу генератора 1, сигнал которого создает гармоническое текущее поле образца. Поперечное электрическое поле вызывает модуляцию проводимости полупроводника, которая при малых уровнях сигналов является гармонической, соответственноJ на разностной и суммарной частотах (u)p)cos i()) + dG(t«Jc)cos {()tt« + (6) где GU- - среднее значение проводимости образца; aG(), dG(iot) - максимальное значение изменений проводимости образца соответственно на разностной и с5гммарной частотах: Чр , Iff. - фазовые сдвиги полной проводимости образца относительнр перенного поля соответственно на разностной и суммарной частотах. Совместное действие поперечного и тянущего-полей вызывает в образце направленное дв.ижение носителей электрический ток, меняющийся от значения ij до ig. соответственно; iyiU cos (u,t+if) f {c,,+ )cos(uj,-uJ,j)t+ V f4b° t|-uG(ujp) + f +fjtfp +coattw t-U,.t.2VV3- 4)} 0 cos Cu)t+ Ч,) I G,jj+A(i (u).)) fif,v. ) cos (u),t+ 1/2-V ch s(2uJ t+Wjt + 24; Vj-Vc)li.) где a, - соответственно ширина и длина образца; з 4 Фазовые утла соответственно фильтров нижних и верхних частот с учетом соединенных цепей. Из (7) и ( 8) следует, что в значениях тока образца ig и i присутствуют однозначные составляющие .S II Um,(u;p)cos(u)) Ч l| )cos(u.,)(10) С учетом значений полной подвиж ности носителей тока на разностной частоте /и. ( ) и суммарной частоте JUL( Шс) iG(Wp) 37) ,.) Ц1с . TJU, где flQ(Wp), aQ (w)- cooTBeTcfBeHHO пол ные изменения индуцированных зарядов на тех же частотах, а также с учетом значений амплитуд индуциро ванных зарядов flQ(uJp)CUn,j c|i и„ и, (1l (и,)Си„ Cfa U,Un, , (12 где С - емкость конденсатора, Сос тавленного полевым электродом и образцом, получают следующие соотноше ния: S 4й(Шр) /X Wp).u Q()ya(iUp)- С-- я At(Wp),Э, д6 (Ыс) ;1(и)о)-лQK)M(Wfc) С-1 и„ Uj M(Wt)cUa 4 С учетом (13) и (14) амплитуды одночастотных составлякицих токов пр ,порциональны подвижностям носителей зарядов на разностной и суммарной частотах is /i()- Um3Um cos(w2t + % ) 4 Um3 m2cos( 4 - с ) Таким образом, полная подвижност носителей тока характеризуется одно частотным (на частоте ш)током пери дически с частотой коммутации и , меняющимся во времени от значения iy до i, 1. е. представляется одни модулированным сигналом l,,l(-msignsinSl t)cos(ujjt- Ч f signfeinS t) , c5. , - , где I -Л- а-8 итэЧ4 -( ш) среднее значение модули-рованного тока, f(c,-(p ) э о коэффициент глубины амплитудной модуляции, «f, - среднее значение фазы модулированного тока ц + -1 V - дЧ t/p+Ч(.+ Чз+Чд - индекс фазовой модуляции, равный сумме фазовых углов тока контролируемого образца («fp - i/g), и фильтров с соединительными цепями. ( V, + ч,) в диапазоне .частот от ЮрАш, signsin-ffZt - прямоугольная огибающаямодулированного сигнала. Выходная клемма Ь контролируемого образца, соединенная с другим торцовым электродом, подключена к низкоомному резистору 10, падение напряжения на котором усиливается избирательно на частоте «w, усилителем 11 и детектируется по амплитуде. Переменное напряжение частоты коммутации, выделенное при детектировании, пропорционально глубине амплитудной модуляции. После избирательного усиления на частоте коммутации и синхронного с частотой коммутации детектирования получают постоянное напряжение на выходе синхронного детектора 14. ас5. бе i,f ) ,. где К/. - коэффициент избирательно.го усиления; 5 - чувствительность «CS.SgK.KnR чувстдетектирования;SQвйтельность результирующего преобразования, (йОсУ-;А(и) частотное изменение модуля подвижности носителей тока контролируемого образца. Падение напряжения на измерительном резисторе 10, отфильтрованное и усиленное усилите лем 11, ограничивают по амплитуде в амплитудном ограничителе 19 и получают Ug Um.gC6s(., sigusin«.t)(18) где Uinh амплитуда результирующего сигнала на уровне ограничения, которое подают на сигнальный вход фазового детектора. После фазового детектирования при использовании в качестве опорного сигнсша частоты получают на выходе фазового детектора 20 прямоугольное напряжение частоты коммутации ш , пропорциональное индексу фазовой модуляции Ujg Umg44-signsin5lt (19) Для исключения .из результата (19) величины фазового набега в фильтрах и соединительных цепях Ч., 4 трактов сигналов разностной и суммарной частот и нелинейности фазочастотной характеристики усилителя 8 введен фазовый детектор 21, один вход .рого соединен с выходом балансного смесителя 3, а другой вход - с выходом усилителя8, выход - с одним из входов переключателя 23 (положение IV). Фазовую компенсацию про.водят в отсутствие контролируемого образца введением дополнительной фазовой задержки в тракте сигнала Разностной частоты с помощью одного из фазовращателей, например16, добиваясь, чтобы и9 О, при том ДЧ- Ч, + tf - Чр О, где 0 значение дополнительной фазовой задержки . Для исключения из результата (19) начального фазового угла ifp + f на частоте . при включенном контролируемом образце вводят дополнительную фазовую задержку сигнала о другим фазовращателем 17, чтобы Ug О на начальной частоте uj частотного диапазона tw t ,9 Cfp-fc, )signsinS2t 0(2 при этом ff, С21) . На частоте IACA отличающейся от значения uj,, индекс фазовой модуляции получает приращение л St , которое, с учетом условия (21) равно приращению фазы подвижности носитестей тока контролируемого образца на данной частоте ujj. относительно cuc ..AV Vp + , + (22) Выходное напряжение фазового детектора на частоте и)с„ равно Uc,j UtT,%signsinSit, откуда видно, что оно пропорционально измеряемому приращению фазы от ча тоты и может служить информационным параметром предлагаемого измерительного устройства. Амплитуда напряжения тд- const в диапазоне ограничения входного сигнала фазового де тектора. Измерение с помощью предлагаемого устройства проводят в следуияцем порядке. В отсутствие образца 9 переключатель 23 устанавливают в положение II и выводят фазовращатели 16 и 17 в нулевое положение. Регулируют частоты генераторов 1 и 2 так, чтобы суммарная частота соответствовала началу частотного диапазона контролируемого образца. Регулировкой атте нюатора 18 добиваются равенства коэф фициента передачи каналов разностной и суммарной частот по нулевому показанию выходного прибора 15. Переключатель 23 устанавливают в положение IV. Регулировкой фазовра щателя 16 добиваются равенства фазовых задержек в каналах разностйой и суммарной частот по нулевому показанию выходного прибора 15. Присоединяют контролируемый образец ко входным клеммам а и б и к выходной клемме в. Переключатель устанавливают в положение II. Показа ния выходного прибора 15 пропорциональны начальному фазовому углу подвижности контролируемого образца на начальной частоте рабочего диапазона. Компенсацией этого фазового угла вводят фазовращатель 17, добиваясь нулевого показания выходного прибора -21. Перестраивая частоты генераторов 1 и 2 так, чтобы разностная частота оставалась постоянной, а суммарная изменялась в рабочем диапазоне частот контролируемого полупроводника, по прибору 15 отсчитьшают значени приращений фазового угла подвижности в заданной полосе частот. Измерение частотных изменений модуля подвижности проводят в положении. переключателя 23. Возможность независимого измерения изменений модуля и фазы подвижности в широком диапазоне частот позволяет Определить влияние неосновных носителей на устойчивость частотных параметров, характер реактивности образца и представить его эквивалентную схему, а также получить значения мгновенных подвижностей и т. д. на фиксированных частотах. Формула изобретения Устройство для измерения подвижности носителей тока в полупроводниках, содержащее два генератора опорных частот, выходами подключенных к входам балансного смесителя, выход которого соединен с входами фильтров верхних и нижних частот, генератор частоты коммутации, выход которого подключен к управляющему входу автоматического коммутатора, соединенного выходом с входом широкополосного усилителя, переключатель, клеммы для подключения одного полевого и двух торцовых электродов исследуемого образца, одна из клемм для подключения торцового электрода соединена с выходом генератора первой опорной частоты, другая подключена к первому выводу измерительного резистора, соединенного другим выводом с общей шиной, а также подключена через, избирательный усилитель к входу первого амплитудного детектора и соединенные последовательно усилитель частоты коммутации, синхронный детектор и регистрирующий прибор, вход управления синхронного детектора подключен к выходу генератора частоты коммутации, отличают-ееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены два фазовращателя, аттенюатор, второй- амплитудный детектор, амплитудный ограничитель и два фазовых детекто,ра, причем фазовращатели включены последовательно между выходом фильтра нижних частот и одним из входов автоматиче,ского коммутатора, другой вход которого соединен с выходом фильтра верхних частот через аттенюатор, амплитудный ограничитель подключен .входом к выходу избирательного усилителя, а выходом - к одному из входов первого фазового детектора, другой вход которого соединен с выходом генератора второй опорной частоты, входы второго фазового детектора соединены с выходами балансного смесителя и широкополосного усилителя соответственно, второй амплитудный детектор также подключен к выходу широкополосного усилителя, соединенному с клемт гай для подключения полевого электрода исследуемого образца, входл переключателя соединены соответственно с выходами первого и второго амплитудных детекторов и с выходами первого и второго фазовых детекторов, а его выход подключен к вхду усилителя частоты коммутации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.

1. Авторское свидетельство СССР № 588517, кл. G 01 R 31/26, 1978.

2. Бонч-Бруевич В.Л, и др. Физика полупроводников. М., Йаука, 1977, с. 330. .

3. Авторское свидетельство СССР № 766762, кл. G 01 R 31/26, 1978 (прототип).