Устройство для измерения вольтамперных и вольт-фарадных характеристик полупроводникового прибора

 

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к области измерения и контроля электрофизических параметров полупроводниковых приборов посредством измерения их вольтамперных и вольт-фарадных характеристик и может быть использована для измерения вольтамперных и вольт-фарадных характеристик любых двухполюсников. Технический эффект заявленной полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей, в повышении точности измерений параметров исследуемых полупроводниковых приборов, в расширении динамического диапазона измерений характеристик, в повышении помехоустойчивости, а так же в упрощении конструкции устройства и расширении ассортимента устройств данного назначения за счет одновременного и независимого измерения вольтамперных и вольт-фарадных характеристик полупроводниковых приборов одним устройством. Формула изобретения содержит 1 независимый пункт и 3 зависимых пункта.

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к области измерения и контроля электрофизических параметров полупроводниковых приборов и может быть использована также для измерения тока и емкости любого двухполюсника.

Зависимость тока от приложенного смещения - вольтамперная характеристика (ВАХ) и емкости от приложенного смещения - вольт-фарадная характеристика (ВФХ) полупроводникового прибора отражает его важнейшие электрофизические характеристики, такие как концентрация легирующих примесей, толщина диэлектрика, время жизни неосновных носителей и другие характеристики. Поэтому измерение вольтамперных и вольт-фарадных характеристик является одним из самых востребованных методов контроля полупроводниковых МДП-структур, р-n переходов, диодов Шоттки.

Принцип работы измерителей ВАХ и ВФХ следующий. При измерении ВАХ на первый зажим измеряемого прибора подается развертка в виде линейно-изменяющегося напряжения, со второго зажима снимается и измеряется ток. При измерении ВФХ на первый зажим подается сумма линейно-изменяющегося сигнала и малого тестового сигнала заданной частоты, со второго зажима снимается и измеряется фазочувствительными цепями постоянная и переменная компоненты тока. По полученным результатам, и известным параметрам развертки, частоты и амплитуды тестового сигнала, вычисляется и строится ВАХ и ВФХ.

Известно техническое решение, используемое в измерителе параметров полупроводниковых приборов ИППП 1 производства ОАО "Минский научно-исследовательский приборостроительный институт" (http://www.mnipi.ru/products.php4?grouD=11&device=0). Измеритель параметров полупроводниковых приборов ИППП-1 предназначен для контроля и исследований вольтамперных характеристик (ВАХ) электронных компонентов, путем их визуального наблюдения на экране в виде графиков или таблиц, расчета на их основе стандартных параметров исследуемого объекта и отображения функциональных зависимостей этих параметров, запоминания и документирования результатов измерений.

Недостатком известного технического решения является то, что измеритель ИППП 1не может измерять вольт-фарадные характеристики полупроводниковых

приборов.

Известно техническое решение, используемое в системе измерения параметров полупроводниковых приборов 4200-SCS фирмы Keithley (http://www.keithlev.com/products/semiconductor/paramethcanalvzer/4200scs/?mn=42 00-SCS).

Система 4200-SCS модульная, содержит базовый блок и набор измерительных модулей. Конфигурации модулей позволяют реализовать раздельно режимы измерения вольт-амперной и вольт-фарадной характеристик. Конфигурирование модулей под задачу осуществляется подключением необходимых программных и аппаратных опций. Пример такого применения для снятия ВАХ и ВФХ солнечных элементов приведен в Application Note 2876 (http://www.keithley.com/data?asset=50913).

Недостатком известного технического решения является невозможность одновременного и независимого измерения вольтамперных и вольт-фарадных характеристик. Одновременность означает получение отсчетов двух характеристик в одни моменты времени, независимость означает, что шкалы измерения двух характеристик устанавливаются независимо друг от друга.

Известно техническое решение, используемое в анализаторе характеристик полупроводниковых приборов В1500 фирмы Agilent (http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-2785EN.pdf). Анализатор выполнен по блочному принципу и переключением программных и аппаратных опций может быть сконфигурирован на измерение или вольтамперных или вольт-фарадных характеристик полупроводниковых приборов.

Недостатком известного технического решения является невозможность одновременного и независимого измерения вольтамперных и вольт-фарадных характеристик полупроводниковых приборов. Кроме того, необходимость подключения дополнительных аппаратных и программных опций для изменения типа измеряемой характеристики усложняет работу с прибором.

Известно техническое решение для измерения характеристик полупроводниковых приборов, выбранное в качестве прототипа и содержащее генератор линейно - изменяющегося напряжения, выход которого соединен с входной клеммой для подключения исследуемого полупроводникового прибора, логарифмический усилитель, аналогово-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, электронно-вычислительную машину, монитор, схему управления усилителем и схему управления и запуска генератора линейно - изменяющегося напряжения (Патент РФ 2332678, «Устройство для регистрации коэффициента неидеальности экспоненциальных вольтамперных характеристик полупроводниковых изделий», МПК G01R31/26, опубликовано 27.08.2008.). Применение цифро-аналогового преобразователя для управления логарифмическим усилителем позволило расширить функциональные возможности и автоматизировать процесс измерения коэффициента неидеальности полупроводниковых изделий с привлечением электронно-вычислительной машины.

Недостатком известного технического решения является то, что оно не обеспечивает измерение вольт-фарадной характеристики полупроводниковых приборов.

Перед автором ставилась задача разработать устройство для измерения вольтамперных (ВАХ) и вольт-фарадных характеристик (ВФХ) полупроводникового прибора, которое бы позволило устанавливать диапазоны измерений ВАХ и ВФХ независимо при одновременном взятии отсчетов ВАХ и ВФХ.

Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения вольтамперных и вольт-фарадных характеристик полупроводникового прибора, содержащее исследуемый полупроводниковый прибор, генератор линейно-изменяющегося напряжения, первый аналого-цифровой преобразователь, электронно-вычислительную машину, монитор, дополнительно содержит измерительную головку, разьем для подключения измерительной головки, интегратор, преобразователь напряжение - ток, фильтр верхних частот, усилитель, синхронный детектор, второй аналого-цифровой преобразователь, сумматор, генератор тестовой частоты измерения емкости, при этом исследуемый полупроводниковый прибор установлен между входом измерительной головки и выходом сумматора, выход измерительной головки подключен к входам двух каналов, первый канал содержит интегратор, выход которого через преобразователь напряжение - ток подключен к входам измерительной головки и первого аналого-цифрового преобразователя, последний соединен с электронно-вычислительной машиной и монитором, второй канал содержит фильтр верхних частот, выход которого через электрически соединенные усилитель, синхронный детектор, второй аналого-цифровой преобразователь подсоединен к электронно-вычислительной машине, вход сумматора соединен с генератором линейно-изменяющегося напряжения и первым выходом генератора тестовой частоты измерения емкости, второй выход последнего соединен с синхронным детектором, измерительная головка выполнена вынесенной из конструкции устройства и содержащей разъем для подключения ее к основному устройству, а также измерительная головка выполнена содержащей операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого включены наборы резисторов, емкостей и ключей, причем в каждом наборе резистор и емкость включены параллельно и последовательно с ключом, а преобразователь напряжение-ток выполнен в виде набора резисторов и ключей.

Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей, в повышении точности измерений параметров исследуемых полупроводниковых приборов, в расширении динамического диапазона измерений характеристик, в повышении помехоустойчивости, а так же в упрощении конструкции устройства и расширении ассортимента устройств данного назначения.

На фиг.1 представлена блок-схема, поясняющая работу заявляемого устройства для измерения вольтамперных и вольт-фарадных характеристик полупроводникового прибора, где 1- исследуемый полупроводниковый прибор, 2 -измерительная головка, 3 - интегратор, 4 - преобразователь напряжение - ток, 5 -первый аналого-цифровой преобразователь, 6 - электронно-вычислительная машина, 7 -монитор, 8 - фильтр верхних частот, 9 - усилитель, 10 - синхронный детектор, 11 - второй аналого-цифровой преобразователь, 12 - сумматор, 13 -генератор линейно-изменяющегося напряжения, 14 - генератор тестовой частоты измерения емкости.

На Фиг.2 представлена блок-схема измерительной головки, где 15 - операционный усилитель, 16, 17, 18 - резисторы, 19, 20, 21 - конденсаторы, 22, 23, 24 - ключи.

На Фиг.3 представлена блок-схема преобразователя напряжение - ток, где 25, 26, 27 - резисторы, 28, 29, 30 - ключи.

Заявляемое устройство для измерения вольтамперных и вольт-фарадных характеристик полупроводникового прибора работает следующим образом. Исследуемый полупроводниковый прибор 1 установлен между входом измерительной головки 2 и выходом сумматора 12, который суммирует сигнал с выхода генератора линейно-изменяющегося напряжения 13 и сигнал тестовой частоты от генератора тестовой частоты измерения емкости 14. Измерительная головка 2 преобразует постоянный и переменный токи, протекающие через исследуемый полупроводниковый прибор 1 в напряжение. Измерительная головка 2 может быть вынесена из устройства с целью размещеия ее вблизи исследуемого полупроводникового прибора 1, что уменьшает паразитную емкость линии связи между исследуемым прибором и измерителем и повышает помехоустойчивость устройства. Выход измерительной головки 2 подключен к двум каналам, в одном из которых измеряется вольтамперная характеристика, а во втором канале измеряется вольт-фарадная характеристика исследуемого полупроводникового прибора.

Канал измерения вольтамперной характеристики содержит интегратор 3, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение-ток 4 и первым аналого-цифровым преобразователем 5. Выходной ток преобразователя напряжение-ток 4 поступает на вход измерительной головки 2 и компенсирует постоянный ток с выхода исследуемого полупроводникового прибора 1. Постоянная времени интегратора 3 выбрана такой, что интегратор 3 не реагирует на сигнал тестовой частоты Ft, но отслеживает изменение сигнала, источником которого является генератор линейно-изменяющегося напряжения 13. Измерительная головка 2, интегратор 3 и преобразователь напряжение-ток 4 включены в контур отрицательной обратной связи по постоянному току, в результате постоянная составляющая тока на входе измерительной головки 2 равна нулю, а мерой постоянного тока, протекающего через исследуемый полупроводниковый прибор 1 служит выходное напряжение интегратора 3, которое измеряется первым аналого-цифровым преобразователем 5.

Канал измерения вольт-фарадной характеристики исследуемого полупроводникового прибора 1 содержит фильтр верхних частот 8, усилитель 9, синхронный детектор 10 и второй аналого-цифровой преобразователь 11. Переменная составляющая выходного сигнала измерительной головки 2 частотой Ft проходит через фильтр верхних частот 8, усиливается усилителем 9, детектируется синхронным детектором 10, на второй вход которого поступает логический сигнал тестовой частоты Ft от генератора тестовой частоты 14. Выходной сигнал синхронного детектора 10 измеряется вторым аналого-цифровым преобразователем 11. Выходы первого аналого-цифрового преобразователя 5 и второго аналого-цифрового преобразователя 11 поступают на входы электронно-вычислительной машины 6, в которой поточечно вычисляются и выводятся на монитор 7 результаты измерений вольтамперной и вольт-фарадной характеристик исследуемого полупроводникового прибора 1.

На фиг.2 показана блок схема измерительной головки 2. Измерительная головка содержит операционный усилитель 15, в цепь отрицательной обратной связи которого включены резистивно - емкостные звенья 16, 19; 17, 20; 18, 21, коммутируемые ключами 22,23,24. Конденсаторы 19, 20, 21 совместно с ключами 22, 23, 24 задают диапазон измерения емкости исследуемого полупроводникового прибора 1, резисторы 16, 17, 18 обеспечивают режим операционного усилителя 15 по постоянному току, ключи 22, 23, 24 подключают выбранный диапазон измерения емкости. Значения сопротивлений и емкостей в каждой из резистивно-емкостных звеньев 16,19; 17,20; 18,21 выбираются из условия: 1/(t*С)«R, где t=2 Ft-круговая частота тестового сигнала, С - емкость 19, 20, 21, R- сопротивление 16,17,18. При выполнении этого условия резисторы 16, 17, 18 не будут шунтировать соответственно емкости 15, 16, 17, и для тестового сигнала частотой Ft цепь обратной связи операционного усилителя будет чисто емкостной. Следовательно, значение измеряемой емкости Сx полупроводникового прибора вычисляется из соотношения:

Cx=(Vo*C)/Vt (1)

где С - выбранная одним из ключей 22, 23, 24 диапазонная емкость, Vo - значение сигнала с частотой Ft на выходе измерительной головки, Vt - значение сигнала тестовой частоты Ft, подаваемой от сумматора 12 на первую клемму исследуемого полупроводникового прибора 1.

На Фиг.3 приведена электрическая схема преобразователя напряжение - ток 4. Преобразователь напряжение - ток 4 содержит набор диапазонных резисторов 25, 26, 27 и набор ключей 28, 29, 30. Преобразователь напряжение - ток 4 преобразует выходное напряжение интегратора 3 в ток, поступающий на вход измерительной головки 2. Набор резисторов 25, 26, 27 совместно с ключами 28, 29, 30 обеспечивают выбор диапазона измерения тока. Измерительная головка 2 для постоянного тока работает как трансимпедансный усилитель и имеет нулевое входное сопротивление, поэтому коэффициент передачи преобразователя напряжение - ток 4 равен:

К=1/R (ампер/вольт) (2)

где R - значение выбранного ключами 28, 29, 30 одного из диапазонных резисторов 25, 26, 27. Преобразователь напряжение - ток 4 включен в контур отрицательной обратной связи и вырабатывает ток равный по величине и противоположный по знаку току протекающему через исследуемый полупроводниковый прибор 1, который изменяется со скоростью линейно - изменяющегося напряжения от генератора линейно-изменяющегося напряжения 13.

Таким образом, одновременность взятия отсчетов ВАХ и ВФХ позволит более точно определять электрофизические параметры исследуемых приборов, а независимая установка диапазонов измерения ВАХ и ВФХ позволит расширить динамический диапазон измерений. Вынос измерительной головки к исследуемому полупроводниковому прибору повышает точность и помехоустойчивость измерений за счет существенного сокращения длины линии связи между измерительной головкой и исследуемым прибором.

Устройство для измерения вольтамперных и вольт-фарадных характеристик полупроводникового прибора, содержащее исследуемый полупроводниковый прибор, генератор линейно-изменяющегося напряжения, первый аналого-цифровой преобразователь, электронно-вычислительную машину, монитор, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит измерительную головку, разьем для подключения измерительной головки, интегратор, преобразователь напряжение - ток, фильтр верхних частот, усилитель, синхронный детектор, второй аналого-цифровой преобразователь, сумматор, генератор тестовой частоты измерения емкости, при этом исследуемый полупроводниковый прибор установлен между входом измерительной головки и выходом сумматора, выход измерительной головки подключен к входам двух каналов, первый канал содержит интегратор, выход которого через преобразователь напряжение - ток подключен к входу измерительной головки и к входу первого аналого-цифрового преобразователя, последний соединен с электронно-вычислительной машиной и монитором, второй канал содержит фильтр верхних частот, выход которого через электрически соединенные усилитель, синхронный детектор, второй аналого-цифровой преобразователь подсоединен к электронно-вычислительной машине, вход сумматора соединен с генератором линейно-изменяющегося напряжения и первым выходом генератора тестовой частоты измерения емкости, второй выход последнего соединен с синхронным детектором.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительная головка выполнена вынесенной из конструкции устройства и содержащей разъем для подключения ее к основному устройству.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительная головка выполнена содержащей операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого включены наборы резисторов, емкостей и ключей, причем в каждом наборе резистор и емкость включены параллельно и последовательно с ключом.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразователь напряжение - ток выполнен в виде набора резисторов и ключей.



 

Похожие патенты:

Регулятор переменного напряжения относится к стабилизационному электрооборудованию, представляет собой прибор для изменения размеров выходящего электронапряжения. Применяется как обособленно, так и в составе узла более сложной электроаппаратуры.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для энергоснабжения объектов стабильной сетью переменного тока при переменной скорости вращения первичного двигателя

Мощный полупроводниковый прибор для высокочастотного переключения для применения в высокочастотных преобразователях радиоэлектронной и радиотехнической аппаратуры. Основной технической задачей предложенной полезной модели мощного полевого транзистора является повышение частотных и динамических свойств, токовых и температурных характеристик, надежности мощных полупроводниковых приборов для высокочастотного переключения на основе транзисторно-диодных интегральных сборок.
Наверх