CS236739B1

CS236739B1 - Mesuring circuit for relaxation time of unbalance charge carriers

Info

Publication number: CS236739B1
Application number: CS889683A
Authority: CS
Inventors: Milos Klasna; Jiri Samek
Original assignee: Milos Klasna; Jiri Samek
Priority date: 1983-11-29
Filing date: 1983-11-29
Publication date: 1985-05-15

Abstract

Účelem řešeni je odstraněni nevýhod používaných obvodů, zvětšeni fotodetektivity měřicího obvodu a automatické normování výstupního signálu fotoodezvy. Uvedeného účelu se dosáhne pomocí obvodu složeného z generátoru časových impulsů, spojeným s monostabilním multivibrátorem, ke-kterému je připojen impulsní zdroj konstantního proudu. Déle ze zdroje infračerveného záření, který je napájen z nápěvového zdroje a impulsního zdroje konstantního proudu. Měřený monokrystal polovodiče je napájen rychlým zdrojem konstantního proudu β napětovým zdrojem. Signál fotoodezvy snímaný z ozařovaného monokrystalu je zesílen zesilovačem střídavého napětí β tento signál je smyčkou záporné zpětné vazby prostřednictvím špičkového voltmetru a zesilovače a napěíově různým ziskem znormován a zpracován v následujícím bloku vyhodnocení, kde je vyhodnocena doba života nositelů náboje jako rozdíl dvou časových intervalů, který je převeden na analogovou hodnotu.The purpose of the solution is to eliminate the disadvantages used circuits, increasing photodetectivity measuring circuit and automatic standardization the output signal of the photo response. This purpose is achieved by means of a circuit composed of a time pulse generator associated with a monostable multivibrator, to which a constant pulse source is connected current. Longer from infrared radiation that is fed from the tune source and pulse source constant current. The measured single crystal semiconductor is powered by a constant constant current source β voltage source. Photo response signal captured it is amplified from the irradiated single crystal the AC voltage amplifier β this signal is a loop of negative feedback through top voltmeter and amplifier and it is standardized and processed with different earnings in the next evaluation block, where the lifetime of the carriers is evaluated charges as a difference of two time intervals which is converted to an analog value.

Description

(54) Obvod pro měření relaxační doby nerovnovážných nositelů náboje v monokrystalu polovodiče(54) Circuit for measuring relaxation time of non-equilibrium charge carriers in semiconductor single crystal

Účelem řešeni je odstraněni nevýhod používaných obvodů, zvětšeni fotodetektivity měřicího obvodu a automatické normování výstupního signálu fotoodezvy.The purpose of the solution is to eliminate the disadvantages of the circuits used, to increase the photodetectivity of the measuring circuit and to automatically standardize the output signal of the photo response.

Uvedeného účelu se dosáhne pomocí obvodu složeného z generátoru časových impulsů, spojeným s monostabilním multivibrátorem, ke-kterému je připojen impulsní zdroj konstantního proudu. Déle ze zdroje infračerveného záření, který je napájen z nápěvového zdroje a impulsního zdroje konstantního proudu. Měřený monokrystal polovodiče je napájen rychlým zdrojem konstantního proudu β napětovým zdrojem. Signál fotoodezvy snímaný z ozařovaného monokrystalu je zesílen zesilovačem střídavého napětí β tento signál je smyčkou záporné zpětné vazby prostřednictvím špičkového voltmetru a zesilovače a napěíově různým ziskem znormován a zpracován v následujícím bloku vyhodnocení, kde je vyhodnocena doba života nositelů náboje jako rozdíl dvou časových intervalů, který je převeden na analogovou hodnotu.This is achieved by a circuit consisting of a time pulse generator connected to a monostable multivibrator to which a constant current pulse source is connected. Longer from an infrared source that is powered by a singing source and a pulsed constant current source. The measured single crystal of the semiconductor is fed by a fast constant current source β voltage source. The photo response signal sensed from the irradiated single crystal is amplified by an AC amplifier β. This signal is a negative feedback loop through a peak voltmeter and amplifier, and is normalized by voltage gain gain and processed in the following evaluation block, where is converted to an analog value.

Vynález se týká obvodu pro měření relaxační doby nerovnovážných nositelů náboje v monokrystalu polovodiče.The invention relates to a circuit for measuring the relaxation time of non-equilibrium charge carriers in a single-crystal semiconductor.

Dosud známé obvody pro měření relaxační doby nerovnovážných nositelů náboje v monokrystalu polovodiče používají metodu doznívání fotovodivosti a využívají pro zajištění rovnovážného stavu nositelů náboje napájení monokrystalu polovodiče proudem o velmi vysokém kmitočtu přibližně 200 MHz. Pak detekují signál fotoodezvy generovaný v monokrystalu polovodiče xenonovou výbojkou, zesilují jej ε vyhodnocují pomocí dvou úrovňových klopných obvodů.The prior art circuits for measuring the relaxation time of non-equilibrium charge carriers in a semiconductor single crystal use a photoconductivity decay method and utilize a very high frequency current of approximately 200 MHz to provide the semiconductor charge to the charge carrier equilibrium. They then detect the photo response signal generated in the semiconductor single crystal by the xenon lamp, amplifying it and evaluating it using two level flip-flops.

Získaným rozdílem časů odpovídajícímu měřené době života nositelů náboje hradlují dekadický oscilátor. Počet výstupních impulsů odpovídá měřené době, která je vyhodnocována čítačem. Nevýhodou tohoto obvodu je nutnost použití generátoru velmi vysokého kmitočtu a nízké využití záření používané výbojky, protože pouze nepatrná část výstupního spektra záření se nachází v účinné infračervené oblasti. Dále je nutno používat přesného generátoru časových impulsů a čítač,The decadic oscillator gates through the obtained time difference corresponding to the measured life of the charge carriers. The number of output pulses corresponds to the measured time, which is evaluated by a counter. The disadvantage of this circuit is the necessity of using a very high frequency generator and low radiation utilization of the discharge lamp used, since only a small part of the output spectrum of radiation is in the effective infrared range. It is also necessary to use an accurate time pulse generator and counter,

JýSe uvedené nedostatky odstraňuje obvod pro měření relaxační doby nerovnovážných nositelů náboje v monokrystalu polovodiče, jehož podstatou je, že výstup generátoru časových impulsů je spojen se vstupem monostabilního multivibrátoru, jehož první výstup je spojen se vstupem impulsního zdroje konstantního proudu. Jeho výstup je spojen s prvním vstupem zdroje infračerveného záření a jeho druhý vstup je spojen s výstupem prvního napělového zdroje. Druhý výstup monostabilního multivibrátoru je spojen s druhým vstupem zesilovače střídavého signálu, jehož první vstup je spojen současně s výstupem zdroje konstantního proudu a prvním kontaktem monokrystalu polovodiče.The aforementioned drawbacks are eliminated by the circuit for measuring the relaxation time of the unbalanced charge carriers in the semiconductor single crystal, which is based on the fact that the output of the time pulse generator is connected to the monostable multivibrator input whose first output is connected to the constant current pulse input. Its output is connected to the first input of the infrared radiation source and its second input is connected to the output of the first voltage source. The second output of the monostable multivibrator is coupled to the second input of the AC amplifier, the first input of which is coupled to the output of the constant current source and the first contact of the semiconductor single crystal.

Jeho druhý kontakt je spojen s výstupem druhého napělového zdroje. Výstup zesilovače střídavého signálu je spojen se vstupem bloku vyhodnocení. Zdrojem infračerveného záření jsou elektroluminisoenční diody, pracující v infračerveném pásmu, prostorově seskupené do kruhového injektoru. Obvodem podle vynálezu je dosaženo lineárního vztehu mezi amplitudou fotoodezvy a změnou odporu monokrystalu polovodiče absorpcí záření, zvětěení fotodetektivity měřicího obvodu při malých signálech fotoodezvy a možnost použití nižěího napětí pro napájení měřicího obvodu monokrystalu polovodiče. DalSí výhodou je automatické normování výstupního signálu fotoodezvy, který je pak zpracován pomocí úrovňových komparátorů.Its second contact is connected to the output of the second voltage source. The output of the AC amplifier is connected to the input of the evaluation block. The sources of infrared radiation are electroluminescent diodes operating in the infrared band spatially grouped into a circular injector. The circuit according to the invention achieves a linear relationship between the amplitude of the photovoltaic response and the change in semiconductor monocrystal resistance by radiation absorption, increased photodetectivity of the measuring circuit with small photodetection signals, and the possibility of using a lower voltage to power the semiconductor single crystal measurement circuit. Another advantage is the automatic scaling of the photo response output signal, which is then processed using level comparators.

Na připojeném výkresu je znázorněn obvod podle vynálezu v blokovém zapojení.In the attached drawing, the circuit according to the invention is shown in block connection.

Konkrétní provedení:Specific design:

Výstup 2 generátoru £ časových impulsů je spojen se vstupem £ monostabilního multivibrátoru £ s proměnnou Šířkou výstupního impulsu. Jeho první výstup χ je spojen se vstupem 8 impulsního zdroje £ konstsntního proudu, jehož výstup χ je spojen s prvním vstupem 11 zdroje £0 infračerveného záření s obdélníkovým tvarem průběhu impulsu žářivého toku. Zdroj £0 infračerveného záření je tvořen do série zapojenými elektroluminiscenčními diodami, pracujícími v infračerveném pásmu spektra. Jeho druhý vstup £2 je spojen a výstupem 14 prvního napělového zdroje 13. K výstupu 16 zdroje ££ konstantního stejnosměrného proudu je připojen první kontakt 17 monokrystalu £8 druhého polovodiče, jehož druhý kontakt ££ je spojen s výstupem 21 druhého napělového zdroje 20.The output 2 of the time pulse generator 6 is connected to the input 6 of the monostable multivibrator 6 with a variable output pulse width. Its first output χ is connected to the input 8 of the constant current pulse source £, the output χ of which is connected to the first input 11 of the infrared light source 0 0 with a rectangular shape of the radiation flow pulse. The infrared radiation source 40 is formed by a series of electroluminescent diodes operating in the infrared band of the spectrum. Its second input 62 is coupled to the output 14 of the first voltage source 13. The first semiconductor monocrystal contact 17 of the second semiconductor is connected to the output 16 of the constant current source 16, whose second contact is coupled to the output 21 of the second voltage source 20.

První kontakt 17 monokrystalu 18 polovodiče je připojen k prvnímu vstupu 2£ zesilovače 22 střídavého signálu s napělově řízeným zesílením, jehož druhý vstup XX je spojen s druhým výstupem 6, monostabilního multivibrátoru χ. Třetí vstup 24 zesilovače 22 střídavého signálu je připojen k výstupu 39 Špičkového voltmetru 38. Výstup 2£ zesilovače 22 střídavého signálu je připojen ke vstupu 40 Špičkového voltmetru 38. První vstupy 32 a 36 komparátorů £0 a 34 jsou připojeny prostřednictvím odporového děliče 29 k výstupu 28 zdroje '2L referenčního napětí. Výstupy 33 a 37 komparátorů 30 a 34 jsou spojeny se vstupy 42 a 45 derivačních článků 41 a 44. jejichž výstupy 43 a 46 jsou spojeny s prvním a druhým vstupem 48 a 49 bistabilního klopného obvodu 47. jehož výstup 50 je připojen ke vstupu 52 integračního voltmetru 51.The first contact 17 of the semiconductor single crystal 18 is connected to the first input 26 of the AC amplifier 22 with a voltage-controlled gain whose second input XX is connected to the second output 6 of the monostable multivibrator χ. The third input 24 of the AC amplifier 22 is connected to the output 39 of the peak voltmeter 38. The output 25 of the AC amplifier 22 is connected to the input 40 of the peak voltmeter 38. The first inputs 32 and 36 of comparators 40 and 34 are connected via a resistive divider 29 28 of the 2L reference voltage source. The outputs 33 and 37 of the comparators 30 and 34 are connected to inputs 42 and 45 of the differentiators 41 and 44, whose outputs 43 and 46 are connected to the first and second inputs 48 and 49 of the bistable flip-flop 47. voltmeter 51.

Měřený monokrystal 18 polovodiče je periodicky ozařován zdrojem 10 infračerveného záření s obdélníkovým tvarem průběhu impulsu zářivého toku, který je tvořen do série zapojenými infračervenými elektroluminiscenčníml diodami. Diody jsou prostorově seskupeny do kruhového injektoru obklopujícího celý obvod monokrystalu 18 polovodiče. Tím je zajištěna konstantní plošná hustota zářivého toku. Zdroj 10 infračerveného záření je buzen monostabilním multivibrátorem £ s proměnnou šířkou výstupního impulsu a je spuštěn generátorem £ časových impulsů.The measured semiconductor single crystal 18 is periodically irradiated by an infrared radiation source 10 with a rectangular waveform of a radiant flux pulse formed in series by infrared electroluminescent diodes connected in series. The diodes are spatially grouped into a circular injector surrounding the entire perimeter of the semiconductor single crystal 18. This ensures a constant surface density of the radiant flux. The infrared radiation source 10 is excited by a monostable multivibrator 6 with a variable output pulse width and is triggered by a time pulse generator 6.

Měřený monokrystal 18 polovodiče je napájen z velmi rychlého zdroje 15 konstantního stejnosměrného proudu. Velikost proudu protékajícího monokrystalem 18 polovodiče je volitelná podle průměru měřeného monokrystalu £8 polovodiče tak, aby bylo dosaženo konstantní proudové hustoty. Střídavý signál fotoodezvy úměrný změně fotovodivosti je zesílen zesilovačem 22 střídavého signálu s napěíově řízeným zesílením na normovanou hodnotu indikovanou a zajištovanou zápornou zpětnou vazbou prostřednictvím špičkového voltmetru £8.The measured single crystal 18 of the semiconductor is powered by a very fast constant current source 15. The magnitude of the current flowing through the semiconductor single crystal 18 is selectable according to the diameter of the semiconductor single crystal 8 measured so as to achieve a constant current density. The AC photo response signal proportional to the change in photoconductivity is amplified by an AC signal amplifier 22 with a voltage-controlled gain to a standard value indicated and secured by a negative feedback via a peak voltmeter £ 8.

Monostabilní multivibrátor £ blokuje v době, kdy není vysílán impuls zářivého toku zesilovače 22 střídavého signálu tak, aby nebyl zesilován šum z monokrystalu 18 polovodiče. Zesílený a znormovaný signál fotoodezvy je přiveden na první vstupy 32 e 36 komparátorů 30 a 34. Normovaná hodnota referenčního napětí ze zdroje 27 referenčního napětí je přivedena na druhý vstup 35 prvního komparátoru 34. Normované hodnota refe-The monostable multivibrator 6 blocks while the radiating flux of the AC amplifier 22 is not being transmitted so that noise from the semiconductor single crystal 18 is not amplified. The amplified and normalized photo response signal is applied to the first inputs 32 and 36 of the comparators 30 and 34. The standardized reference voltage value from the reference voltage source 27 is applied to the second input 35 of the first comparator 34.

vstup 31 druhého komparátoru 30.input 31 of the second comparator 30.

První komparátor 34 překlápí po dosažení napětí fotoodezvy nad normovanou hodnotu referenčního napětí. Druhý komparátor 30 překlápí při poklesu exponenciální odezvy naThe first comparator 34, after reaching the photo response voltage, flips above the normalized reference voltage value. The second comparator 30 flips over as the exponential response drops

články 41 a 44 tvořené rezistorem a kondenzátorem je spuštěn bistsbilní klopný obvod 47.the bistable flip-flop 47 is triggered by the resistor and capacitor cells 41 and 44.

Ten vyhodnotí časovou konstantu exponenciálního průběhu odezvy, tj. relaxační dobu nerovnovážných nositelů náboje v monokrystalu 18 polovodiče jako rozdíl dvou časových intervalů.This evaluates the time constant of the exponential response, i.e., the relaxation time of the non-equilibrium charge carriers in the semiconductor single crystal 18 as the difference of two time intervals.

Výstup bistabilního klopného obvodu 47 je přiveden na vstup integračního voltmetru 51 . který časový impuls ve formě impulsu napětí převede na analogovou hodnotu při konstantní opakovači frekvenci.The output of the bistable flip-flop 47 is applied to the input of the integration voltmeter 51. which converts the time pulse in the form of a voltage pulse to an analog value at a constant repetition rate.

Obvod podle vynálezu je možno použít pro měření relaxační doby nerovnovážných nositelů náboje i v destičkách monokrystalů polovodiče zejména při výstupní kontrole ve výrobě polovodičových systémů.The circuit according to the invention can be used to measure the relaxation time of non-equilibrium charge carriers even in semiconductor monocrystal wafers, especially during output control in the production of semiconductor systems.

Claims

SUBJECT ϊϊΚίΐϊΖϋ

A circuit for measuring the relaxation time of non-equilibrium charge carriers in a single-crystal semiconductor, comprising a pulse generator, a radiation source, current and voltage sources, and evaluation circuits, characterized in that the output (2) of the time pulse generator (1) is connected to an input (4). monostable multivibrator (3), the first output (5) of which is connected to the input (8) of the constant current pulse source (7), the output of which (9) is connected to the first input (11) of the infrared source (10) (12) the infrared radiation source (10) is coupled to the output (14) of the first voltage source (13), the second output (6) of the monostable multivibrator (3) is coupled to the second input (53) of the AC amplifier (22) the first input (23) being connected to the output (16) of the constant current source (15) and the first contact (17) of the single crystal semiconductor (18), the second contact (19) of which is connected to the output (21) The outputs (24) and (25) of the AC amplifier (22) are connected to the terminals of the evaluation block (26).

2. Circuit according to claim 1, characterized in that the infrared radiation source (10) is formed by electroluminescent diodes operating in the infrared spectrum, spatially grouped into a circular injector.

3. The circuit of claim 1, wherein the infrared radiation source (10) is a semiconductor laser operating in the infrared region of the spectrum.