HU191860B

HU191860B - Method and apparatus for detecting admittance of the nonlinear two-poles, advantageously semiconductor structures

Info

Publication number: HU191860B
Application number: HU234683A
Authority: HU
Inventors: Peter Barna; Lajos Becker; Tamas Egri; Karoly Kertesz; Laszlo Ujfalussy
Original assignee: Mta Koezponti Fiz Kutato Intez; Miki Merestechnikai Fejlesztoe
Priority date: 1983-06-29
Filing date: 1983-06-29
Publication date: 1987-04-28

Abstract

A találmány tárgya eljárás és berendezés nem lineáris kétpólusok, előnyösen félvezető struktúrák admittanciájának meghatározására. Az eljárás szerint a mérendő két pólust előfeszítjük úgy, hogy a kétpólusra programozható hullámformájú feszültség és kisamplitúdójú szinuszos feszültség összegét kapcsoljuk. Ezután a kétpóluson átfolyó áramot kísértékű mérőellenállás közbeiktatásával mérjük. Ezt követően a mérőellenálláson megjelenő feszültséget szelektív frekvenciakarakterisztikával rendelkező erősítő, illetve jelfeldolgozó egység bemenetele kapcsoljuk. A találmány szerinti berendezésnek láncbakapcsolt . mérőátalakitója (20), detektáló részegysége (60). és megt h'leuilője (70), Inviíhlní ugvímcink Iáticlinl·.íiprn>11 elő les/llO ι i's/egysi'gi' (Ml), s/lmis/iv; jelgeiiei al ι n a ( 10) ι’,ι hiillihnlörma-geiieiiitoiii (-10) van. Λ sziittis/ns jelgem’iátor (30) kimenete a méröbemenetekkel ellátod méi «átalakító egy további harmadik bemenetére, a hullámforma-generátor (40) kimenete pedig az előfeszítő rész- egység (50) bemenetére csatlakozik. (3. ábra.) -1-The present invention relates to a method and apparatus for determining the admittance of non-linear bipolar, preferably semiconductor, structures. According to the method, the two poles to be measured are pretensioned by switching the sum of the two-pole programmable waveform voltage and the low amplitude sinusoidal voltage. Thereafter, the two-pole current flow is measured by the addition of an accompanying measuring resistor. Subsequently, the voltage on the measuring resistor is connected to the input of an amplifier or signal processing unit with selective frequency characteristic. The device according to the invention is chain-coupled. measuring transducer (20), detector assembly (60). and thi (s) (70); jelgeiiei ali (10) ι ', ι coal smelting gelite (-10). Ete The output of the sip / ns signal generator (30) is supplied to the third input of the transducer with the inputs, and the output of the waveform generator (40) is connected to the input of the prestressing sub-unit (50). (Figure 3) -1-

Description

(57) KIVONAT(57) EXTRAS

A találmány tárgya eljárás és berendezés nem lineáris kétpólusok, előnyösen félvezető struktúrák admittanciájának meghatározására. Az eljárás szerint a mérendő két pólust előfeszítjük úgy, hogy a kétpólusra programozható hullámformájú feszültség és kisamplitúdójú szinuszos feszültség összegét kapcsoljuk. Ezután a kétpóluson átfolyó áramot kisértékű mérőellenállás közbeiktatásával mérjük. Ezt követően a mérőellenálláson megjelenő feszültséget szelektív frekvenciakarakterisztikával rendelkező erősítő, illetve jelfeldolgozó egység bemenetele kapcsoljuk.The present invention relates to a method and apparatus for determining the admittance of non-linear bipolar structures, preferably semiconductor structures. According to the method, the two poles to be measured are biased by applying the sum of the bipolar programmable waveform voltage and the small amplitude sinusoidal voltage. The current flowing through the bipolar is then measured by applying a small measuring resistor. Subsequently, the voltage across the measuring resistor is connected to the input of an amplifier or signal processing unit having a selective frequency characteristic.

A találmány szerinti berendezésnek láncbakapcsolt . mérőátalakítója (20), detektáló részegysége (60). és megt h'leull öje (70), Inviíhlní ugv micm k I áticlinl·. ii prn ill elő (es/llO les/egyscge (Ml), s/lmis/iv; jelgtmei al ι n ii ( 10) e.i hiilliiinlönna-geiieiátoiii (-10) van. Λ sziutis/ns jelgrneiátor (30) kimeneté a méröbemenetekkel ellátott inéioálalakító egy további harmadik bemenetére, a hullámforma-generátor (40) kimenete pedig az előfeszítő részegység (50) bemenetére csatlakozik. (3. ábra.)The apparatus according to the invention is circuit-switched. a measuring transducer (20), a detecting component (60). and t h'leull je s (70), Inviíhlní ugv micm k I áticlinl ·. ii prn ill (es / llO les / egyscge (Ml), s / lmis / iv; sigmatmei al ι n ii (10) is not carbon-carbon-gelatinized (-10). Λ output of seam / ns signal gauge (30) with measurement inputs a further third input of the provided inverter and the output of the waveform generator (40) is connected to the input of the biasing assembly (50) (Fig. 3).

191 860191,860

A találmány tárgya eljárás és berendezés nemlineáris kétpólusok, előnyösen félvezető struktúrák admittanciájának meghatározására, mely előnyösen alkalmazható félvezető elemek kapacitásának mérésére.The present invention relates to a method and apparatus for determining the admittance of non-linear bipolar structures, preferably semiconductor structures, which can advantageously be used to measure the capacitance of semiconductor elements.

Mint ismeretes, a MOS félvezető struktúrák nemlineáris admittanciájának mérésére szolgáló eddig ismert lineáris és nem hidas mérőberendezések általában két csoportba sorolhatók:As is known, the prior art linear and non-linear measuring devices for measuring the nonlinear admittance of MOS semiconductor structures generally fall into two groups:

Az egyik a földelt bázisú tranzisztoros erősítő kapcsolást alkalmazó Zaininger-féle módszer, ahol a mérendő admittancia a generátor-komplexum kimeneti melegpontja, és az erősítő fokozat bemenete közé van kapcsolva.One is Zaininger's method of using a grounded transistor amplifier circuit where the measured admittance is coupled between the output warm point of the generator complex and the input of the amplifier stage.

A másik ismert megoldásnál fázisfordító visszacsatolt műveleti erősítőt alkalmaznak, aliol a mérendő admittancia a műveleti erősítő fázisfordító bemenete és a generátor-komplexum kimeneti melegpontja közé van kapcsolva. Ha a mérendő admittancia kapacitív jellegű, akkor ezt a megoldást differenciáló áramkörnek tekinthetjük.Another known solution uses a phase inverting feedback operational amplifier, whereby the admittance to be measured is coupled between the phase inverting input of the operational amplifier and the output warm point of the generator set. If the admittance to be measured is capacitive, then this solution can be regarded as a differentiating circuit.

Ha ezen mérőátalakítók által szolgáltatott jelek amplitúdóját közvetlenül mérjük, akkor csak az admittancia abszolút értékéről kapunk információt. A valós, illetve képzetes rész mérése fázisérzékeny egyenirányító vagy egyenirányítók alkalmazását igényli.If the amplitude of the signals provided by these measuring transducers is directly measured, only the absolute value of the admittance is obtained. Measuring the real or imaginary part requires the use of a phase sensitive rectifier or rectifiers.

A Zaininger-féle admittancia mérési módszer hátránya, hogy a mérés linearitását a tranzisztoros munkapont függése befolyásolja, valamint külön kell gondoskodni az egyen- és váltófeszültsegíí generátorok feszültségének megfelelő szuperpozíciójáról.The disadvantage of the Zaininger admittance measurement method is that the linearity of the measurement is influenced by the dependence of the transistor operating point, and that a proper superposition of the voltage of the DC and AC auxiliary generators must be provided separately.

A visszacsatolt műveleti erősítőt alkalmazó megoldás hátránya, hogy a mérendő admittanciánál például több nagyságrenddel nagyobb admittanciájú mérőkábel zavarja az átalakító linearitását különösen, ha a nyitott hurkú erősítés nem elég nagy. Az áramköri megoldás ismert okok miatt nagymértékben gerjedc'keny.A disadvantage of using a feedback loop amplifier is that, for example, a measuring cable of several orders of magnitude greater than the admittance to be measured interferes with the linearity of the converter, especially when the open-loop gain is not large enough. The circuit solution is greatly excited for known reasons.

Az említett megoldások közös hátránya, hogy az admittancia abszolút értékéről adnak felvilágosítást és nem teszik lehetővé az admittancia valós és képzetes részének mérését, továbbá a mérés pontosságát a félvezető struktúrában és az erősítőben keletkező zajok csökkentik. Ez a mérés linearitását és felbontóképessegét tovább rontja.A common disadvantage of these solutions is that they provide information on the absolute value of admittance and do not allow the measurement of the real and imaginary parts of admittance, and the accuracy of the measurement is reduced by noise in the semiconductor structure and amplifier. This further reduces the linearity and resolution of the measurement.

A találmány célja olyan eljárás és berendezés kialakítása félvezető struktúrák admittanciájának mérésére, mely az ismert megoldások előbbiekben említett hátrányait megszünteti és alkalmas arra, hogy egyszerű eszközökkel a mérendő admittancia valós és képzetes részét nagypontossággal különválasztva meghatározza. További követelmény a találmány szerinti megoldással szemben, hogy az alkalmazott niérőátalakííó kialakítása olyan legyen, hogy a mérendő kétpólus mérőkábelének kapacitása a mérés pontosságát ne befolyásolja.It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for measuring the admittance of semiconductor structures which overcomes the aforementioned disadvantages of the prior art and is capable of accurately separating the real and imaginary parts of the admittance to be measured by simple means. It is a further requirement of the present invention that the rope converter used be configured so that the accuracy of the measurement is not affected by the capacity of the bipolar measuring cable to be measured.

További cél, hogy a találmány szerinti eljárás és berendezés nagyfrekvenciás kapacitás mérés mellett mély kiürítéses kapacitás mérést is tegye lehetővé. Az ismert megoldások a kapacitás nagyságát feszültség függvényében határozzák meg. Ezzel szemben a találmány szerinti megoldás tegye lehetővé egy egységugrás típusú eiőfesz.ítés mellett a MOS-kapacitás időbeli változásának vizsgálatát. További cél, hogy legyen alkalmas számítógéppel vezérelt mérőberendezés, pl. CAMAC, IEC vezetékrendszerhez való csatlakozásra.It is a further object of the method and apparatus of the invention to provide deep discharge capacity measurement in addition to high frequency capacity measurement. The known solutions determine the capacity as a function of voltage. In contrast, the present invention should allow for the investigation of the change in MOS capacity over time with a unit jump type bias. Another object is to have suitable computer-controlled measuring equipment, e.g. For connection to CAMAC, IEC wiring system.

A találmánnyal megoldandó feladatot olyan eljárás és berendezés megvalósításában határoztatjuk meg, amely alkalmas nemlineáris kétpólusok, előnyösen félvezető struktúrák admittanciájának meghatározására.The object of the present invention is defined by the implementation of a method and apparatus suitable for determining the admittance of non-linear bipolar, preferably semiconductor, structures.

A találmányt részletesebben rajz alapján ismertetjük, amelyen a találmány szerinti berendezés néhány példaként! kiviteli alakját tüntettük fel. A rajzon azThe invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which the apparatus according to the invention is described by way of example only. embodiment. In the drawing it is

1. ábra a Zaininger-féle admittancia mérőelrendezés; aFigure 1 is a Zaininger admittance measurement arrangement; the

2. ábra a fázisfordító visszacsatolt műveleti erősítő;aFigure 2 is a phase inverse feedback amplifier;

3. ábra a találmány szerinti berendezés néhány példakénti kiviteli alakja; aFigure 3 shows some exemplary embodiments of the apparatus of the invention; the

4. ábra a mérőátalakító néhány példakénti kiviteli alakja; azFigure 4 shows some exemplary embodiments of the transducer; the

5. ábra a szinuszos mérőjel-generátor; aFigure 5 is a sinusoidal signal generator; the

6. ábra az egy- vagy háromfázisú négyszöggenerátor; aFig. 6 is a single or three phase rectangular generator; the

7. ábra az előfeszítő részegység néhány példakénti ki> iteli alakja; aFigure 7 shows some exemplary embodiments of the biasing assembly; the

8. ábra a detektáló részegység egy példakénti kiviteli .dakja.Fig. 8 is an exemplary embodiment of a detector assembly.

Az 1. ábrán látható Zaininger-konverteres mérőátalakítóban az 1 mérendő admittancia a földelt bázisú erősítő-fokozat 11 tranzisztorának emittere és a 2 és 3 váltóáramú és egyenáramú generátorból álló soros generátor komplexum melegpontja közé van kapcsolva, ahol a kisjelű 2 váltóáramú generátor, az egyenáramú feszültségforrás pedig 3 egyenáramú generátor. A 7,8,9,10 ellenállások, valamint a 6 kondenzátor a földelt bázisú erősítő munkapontbeállító elemei. A 4 és 5 kondenzátorokIn the Zaininger converter measuring converter shown in FIG. and 3 DC generators. The resistors 7,8,9,10 as well as the capacitor 6 are the operating point adjustment elements of the grounded amplifier. Capacitors 4 and 5

a mérendő admittancia hozzávetési kábeleinek szórt kapacitásait jelzik. denotes the scattered capacitance of the admittance approach cables to be measured. A konverzióra írható, hogy The conversion can be written as • s.A, ^rBE• sA, ^r BE Uki ~ ίχ ’ Ζ_Βο ' A_u Uki ~ ίχ 'Ζ _Β ο' A _u _ V_OV_O _ rg£ ^[BE ι 1 ^s S Yx_ V _O V _O _ rg £ ^[ BE ι 1 ^s S Yx = V_o · z, ♦ Yx= V _o · z, ♦ Yx 1 ^{1 + f}BE · Yx s1 ^{1 + f} BE · Yx s

ahol r_Be - a tranzisztor B-E ellenállása s = a tranzisztor kisjelű áranierösítési tényezője .wherein r - to _set the transistor ON resistance of s = the small signal transistor áranierösítési factor.

Látható, hogy a linearitást zavaró tag s növelésével 1-hez tart.It can be seen that the linearity interfering tag increases to 1 by increasing s.

Az r_BE és s értékek viszont munkapont függőek és a munkapont a hőmérséklet függvényében változik.The r _ON and s values, on the other hand, depend on the operating point and the operating point varies with temperature.

A 2. ábrán látható fázisfordító visszacsatolt műveleti erősítővel működő admittanciamérő berendezésnél az mérendő admittancia 12 műveleti erősítő fázisfordító bemenete és a 3 egyenáramú generátorból, valamint a váltóáramú generátorból álló generátor komplexum kimeneti melegpontja közé van kapcsolva. Fontos megjegyezni, hogy az admittancia kábel kapacitása az esetek többségében nagyságrendekkel meghaladja a mérendő admittancia abszolút értékét.In the phase inverter of the phase inverter with operation feedback amplifier shown in FIG. 2, the phase inverter input 12 of the measure admittance to be measured is coupled between the output heat point of the generator set consisting of a DC generator 3 and an AC generator. It is important to note that in most cases the capacity of the admittance cable is in the order of magnitude greater than the absolute value of the admittance to be measured.

Az admittancia mérő berendezés jellemezhető a következő összefüggéssel:The admittance measuring apparatus is characterized by the following relationship:

V_ki = V_o · y_x · K, ahol K. érték ideális esetben állandó, nem függ a mérendő admittanciától. Az egyes megoldások éppen abban térnek el egymástól, hogy milyen mértékben sikerül megközelíteni az ideális konstans K értékét, azaz azt, hogy a Vkp'y_x/ függvény lineáris legyen.V _ki = V _o · y _x · K, where K. is ideally constant and does not depend on the admittance to be measured. Each solution differs precisely in the degree to which it is possible to approach the value of the ideal constant K, that is, that the function Vkp'y _x / is linear.

A 3. ábra a találmány szerinti berendezés néhány pél-21Figure 3 shows some examples 21 of the apparatus according to the invention

191 860 dakénti kiviteli alakját szemlélteti. A 20 mérőátalakító mérőbemenetére a mérendő 10 kétpólus két b,c kivezetése mérőkábelen át csatlakozik. A mérőkábel az elvi rajzon nincs feltüntetve. A 20 mérőátalakító további harmadik bemenetére az előfeszítő 50 részegység dl kimenete csatlakozik, mely egyenfeszültségre szuperponált hullámformával és szinuszos mérőjellel van előfeszítve. Ezen a dl kimeneten érkező jel a mérendő 10 kétpólus egyik kivezetésére van kapcsolva, melynek hatására méréskor a 20 mérőátalakító f kimenetén a mérendő 10 kétpólus admittanciájának abszolút értékével arányos nagyfrekvenciás váltófeszültség jön létre. Az előfeszítő 50 részegység d2 kimenete a lebegő pontot hordozza. A 20 méró'átalakító egy további bemenetére a 40 hullámforma-generátor kapuzó j kimenete van kapcsolva, mely megakadályozza, hogy az f kimenetén feszültség csúcsok keletkezzenek a négyszöghullámú előfeszítő jel éleinek hatására. A mintavételező üzemmódban a 20 mérőátalakító g kimenetén előállított kapuzó jel vezérli a detektáló 60 részegységben levő mintavevőt.191,860 Daken. At the measuring input of the measuring converter 20, the two terminals b, c of the bipolar 10 to be measured are connected via a measuring cable. The measuring cable is not shown in the drawing. A further third input of the measuring transducer 20 is connected to the dl output of the biasing component 50, which is biased by a waveform superimposed on a dc voltage and a sinusoidal measuring signal. The signal arriving at this output dl is connected to one of the terminals of the bipolar 10 to be measured, which results in a high-frequency AC voltage proportional to the absolute value of the admittance of the bipolar 10 to be measured. The output d2 of the pretensioner assembly 50 carries the floating point. A further input of the transducer 20 is coupled to the gate output j of the waveform generator 40, which prevents voltage peaks at the output of f from the edges of the rectangular biasing signal. In the sampler mode, the gate signal generated at the g output of the transducer 20 controls the sampler in the detector unit 60.

A szinuszos 30 mérőjel-generátor dl és d2 kimenetén nagyfrekvenciás konstans frekvenciájú és amplitúdójú mérőjelet biztosít kis kimenő impedancián a 20 mérőátalakító részére. A 30 mérőjelgenerátor e kimenetén biztosítja a 40 hullámforma-generátor szinuszos vezérlését.The sinusoidal signal generator 30 provides a high frequency constant frequency and amplitude measuring signal at the output d1 and d2 of the measuring transducer 20 at low output impedance. The output of the gauge generator 30 provides sinusoidal control of the waveform generator 40 at this output.

A 40 hullámforma-generátor kettős feladatot lát el. Egyszért j kimenetén előállít egy 2.5 KHz-es négyszöghullámú jelet az előfeszítő 50 részegység és a 20 mérőátalakító vezérlésére. Másrészt h és i kimenetén egy kétfázisú 1 MHz-es négyszöghullámú kapcsoló jelet állít elő a detektáló 60 részegység vezérlésére.The waveform generator 40 performs a dual function. Simply produces a 2.5 KHz rectangular signal at output j to control the biasing component 50 and the measuring converter 20. On the other hand, it produces a biphasic 1 MHz rectangular switch signal at its h and i outputs to control the detector 60.

Az előfeszítő 50 részegység d2 kimenetén a lebegőpontos kialakításnál a dl kimenethez képest előállítja a nemlineáris 10 kétpólus méréséhez szükséges változtatható nagyságú egyenfeszültségű, és a változtatható amplitúdójú négyszöghullámú előfeszítést. Az 50 részegység a vezérléséhez szükséges négyszöghullámú vezérlőjelet a 40 négyszöggenerátor j kimenetén át kapja.At the output d2 of the prestressing assembly 50, the floating-point design produces a variable-voltage direct-voltage and variable-amplitude rectangular bias relative to the output dl. The unit 50 receives the rectangular control signal required for its control through the output j of the square generator 40.

A detektáló 60 részegység feladata kettős: egyrészt a k kimenetén előállítja a mérendő 10 kétpólus admittanciájának abszolút értékével arányos jelet, melyet a 70 megjelenítő megjelenít. Másrészt a 40 hullámforma-négyszöggenerátor h és i kimeneteken érkező referenciajelek segítségével a 20 mérőátalakító f kimenetén érkező nagyfrekvenciás mérőjelet fázisérzékenyen egyenirányítja és a referenciajelek fázisától függően 0° fáziseltolásnál a 10 kétpólus valós, 90° fáziseltolásnál pedig a képzetes résszel arányos kimenő jelet biztosítja a k kimenetén a 70 megjelenítő részére.The function of the detector assembly 60 is twofold: on the one hand, it produces a signal proportional to the absolute value of the admittance of the two poles to be measured at the output of k, which is displayed by the display 70. On the other hand, by using the reference signals at the h and i outputs of the waveform rectangle generator 40, the high frequency measurement signal at output f of transducer 20 is phase sensitive and depending on the phase of the reference signals 70 publishers.

A detektáló 60 részegység feladat még az is, hogy a berendezés üzemmódjától függően a detektált jel egyenáramú összetevőjéből - a 20 mérőátalakító f kimenetén érkező mintavevő jel segítségével — adott időpontokban mintát vegyen, illetve egy o’vezérlő jel állapotától függően a mintavevő működését felfüggessze és folyamatos jelátlagolást biztosítson.The detector assembly 60 also has the function of sampling the DC component of the detected signal at a given time, depending on the mode of operation of the detector, and of suspending the operation of the sampler and continuously averaging it depending on the status of a control signal. It provides.

A 60 részegység feladata továbbá az is, hogy a detektált jelen szinteltolást — ofszetállást-skálatényező beállítást — végezzen, hogy a k kimenetre adott jel hiteles legyen és megfeleljen a mérendő 10 kétpólus valós és képzetes adatainak. A skála kalibrálás alatt a mérendő 10 kétpólus egységnyi kapacitás értékhez tartozó erősítési tényező beállítását értjük. A 70 megjelenítő legegyszerűbb esetben egy egyenáramú feszültségmérő, amely a mérendő 10 kétpólus admittanciájának abszolút értékét mutatja. Más esetben egy digitális voltmérő, melyről az admbtancia valós és képzetes része külön-külön leolvasható.It is also the function of the component 60 to perform the detected current level shift, offset position scale factor setting, so that the signal output to the k output is authentic and corresponds to the real and imaginary data of the 10 poles to be measured. Scale calibration refers to the setting of the gain factor for the 10 binary capacitance units to be measured. Display 70 is, in its simplest case, a dc voltage meter which shows the absolute value of the admittance of the bipolar 10 to be measured. Otherwise, a digital voltmeter from which the real and imaginary portions of the admbtance can be read separately.

Abban az esetben, amikor a nemlineáris kétpólus gyakorlatilag tisztán kapacitív jellegű, vagyis vesztesége elhanyagolható, a detektáló 60 részegység felépítése és vezérlése egyszerűsödik. Ebben az esetben a h, illetve í kimenetel csatlakozása elmarad. Ilyenkor a 70 megjelenítő egy A/D átalakító.In the case where the non-linear bipolar is virtually capacitive in nature, i.e., its loss is negligible, the construction and control of the detector assembly 60 is simplified. In this case, the output of h or í is not connected. In this case, the display 70 is an A / D converter.

Dgitalizált kimenetei jelképzés mellett csupán aDigitized outputs are only a

2,5 kHz-es négyszögjel pólusközepeinek fázisában kell egy-egy konver vezérlő jelet a 70 megjelenítő — jelen esetten digitalizáló egység - részére biztosítani. A detektáló 60 részegység fázisérzékeny egyenirányító funkciója normál (de nagypontosságú) egyenirányító feladatkörbe zsugorodik.In the phase center of the 2.5 kHz rectangle signal, a conversion control signal must be provided to the display unit 70, in this case digitizing unit. The phase sensitive rectifier function of the detector assembly 60 is reduced to a normal (but high precision) rectifier function.

Az említett esetben a 40 négyszöggenerátor hí kimenetén a 2,5 kHz-es négyszögjel pulzusközepeinél indított konverzió vezérlőjelet biztosít a 70 megjelenítő részére. Az i; kimeneten a megjelenítő kiolvasásához szükséges vezérlőjel, a p kimeneten pedig a konverziós utasítás érkezik.In this case, the conversion output at the output of the rectangle generator 40 provides a control signal for the display 70 at the pulse centers of the 2.5 kHz rectangle. The i; Outputs the control signal needed to read the display and output p the conversion instruction.

A 4. ábra a mérésátalakító néhány példakénti kiviteli alakját szemlélteti. A 26 erősítő áramfeszültség átalakítást végez és a bemenő áram kis bemenő Rl, R2 vagy R3 ellenálláson záródik a méréshatár K üzemkapcsoló állásától függően. Ha a 26 erősítőt egy műveleti 28 erősítő valósítja meg, akkor a műveleti 28 erősítő erősítését a két — első és második — visszacsatoló R4, R5 ellenállás egymáshoz való viszonya határozza meg. A műveleti 28 erősítő kimenetére kimenő 29 kondenzátor és kimenő R6 ellenállás csatlakozik, mely az egyenfeszültség szin’et leválasztja. A 26 erősítő f kimenete egyrészt a detektáló 60 részegység bemenetét vezérli, másrészt az analóg 25 MOS-kapcsolóra csatlakozik. Az analóg 25 MOS-kapcsoló vezérlését a 24 VAGY-kapu j3 kimenete biztosítja. A 24 VAGY-kapu vezérlését az első ésa második monostabil 21,22 multivibrátor biztosítja, melyek vezérlésüket a 40 hullámforma-generátor j kimenetéről kapják. A 24 VAGY-kapu akkor kap vezérlést, ha a vezérlő négyszögjel alacsonyszintről magasra, vagy magasstiniről alacsonyra vált. Az első monostabil 21 multivibrátor jl kimenete indítja a harmadik monostabil 24 muhi vibrátort, melynek g kimenetén megjelenő jel kapuzójelként vezérli a detektáló 6Ό részegység mintavevőjének analóg 65 MOS-kapcsolóját.Fig. 4 illustrates some exemplary embodiments of a measuring transducer. The amplifier 26 performs a voltage conversion and the input current is closed at a low input resistor R1, R2 or R3 depending on the position of the operating limit switch K. If the amplifier 26 is implemented by an operational amplifier 28, the amplification of the operational amplifier 28 is determined by the relationship between the two feedback resistors R4 and R5, respectively. An output capacitor 29 and an output resistor R6 are connected to the output of the operational amplifier 28, which isolates the DC voltage level. The main output of amplifier 26 controls on the one hand the input of the detector unit 60 and on the other hand connects to the analog MOS switch 25. The analog MOS switch 25 is controlled by the j3 output of OR gate 24. The control of the OR gate 24 is provided by the first and second monostable multivibrators 21,22, which are controlled by the output j of the waveform generator 40. The OR gate 24 is controlled when the control switches from a low level to a high level or a low level from a high level. The jl output of the first monostable multivibrator 21 triggers the third monostable muhi vibrator 24, whose g output signal controls the analog 65 MOS switch of the detector 6Ό as a gate signal.

Az 5. ábrán a szinuszos mérőjel-generátor látható. A szinuszos 30 mérőjel-generátor vezérlését egy nagy frekvenciastabilitású nagyfrekvenciás kvarc 31 generátor végzi, melynek frekvanciája előnyösen i MHz. A nagyfrekvenciás 31 generátor e kimenete a 40 négyszöggenerátert vezérli. Ugyancsak az e kimenet vezérli a 32 fázishasítót, melynek két ellenütemű e3,e4 kimenete a 33 fázistolót vezérli. A 33 fázistoló megfelelő beállításával a 40 hullámforma-generátor fázishelyzete úgy állítható be, hogy a mérendő 10 kétpólus admittanciájának valós és képzetes része egymástól függetlenül mérhető legyen. A 53 fázistoló e5 kimenetén megjelenő jelet a 34 erősítő eró'.uti. A 34 erősítő e6 kimenetén megjelenő jel a 35 feszültségkövetőt vezérli, mely általános esetben földfüggetlen lebegő kimenetű, célszerűen induktív csatolást. Az induktív csatolás transzformátoros vagy rezgőkörös. A 35 feszültségkövető két dl, d2 kimeneteken megjelenő nagyfrekvenciás jel egy egyenszint leválasztóFigure 5 shows the sine gauge generator. The sinusoidal signal generator 30 is controlled by a high frequency stability high frequency quartz generator 31, preferably having a frequency of 1 MHz. This output of the high frequency generator 31 controls the rectangular generator 40. Also, output e controls the phase splitter 32, with two counter-current outputs e3, e4 controlling phase shift 33. By properly adjusting the phase shift 33, the phase position of the waveform generator 40 can be adjusted so that the real and imaginary portions of the bipolar admittance 10 to be measured can be measured independently. The signal at the output e5 of the phase shift 53 is provided by the amplifier 34. The signal at the output e6 of the amplifier 34 controls the voltage follower 35, which is generally an inductive coupling with a ground independent floating output. Inductive coupling is transformer or oscillating. The voltage follower 35 is a dc, d2, d2 high frequency signal that is a level separator

191 860 kondenzátoron át párhuzamosan kapcsolódik az előfeszítő 50 részegység két dl és d2 kimenetével. Nem lebegtetett földelt jelkicsatolás esetén a nagyfrekvenciás mérőjel kapacitív csatoláson át csatlakozik az előfeszítő 50 részegység dl és d2 kimeneteire.Through 191,860 capacitors, it is connected in parallel with the two outputs d1 and d2 of the biasing assembly 50. In the case of non-floating grounded signal unpacking, the high-frequency measuring signal is capacitively coupled to the dl and d2 outputs of the biasing component 50.

A 6. ábra az égy- vagy háromfázisú négyszöggenerátort szemlélteti. A nagyfrekvenciás 31 generátoré kimenetén megjelenő jel a 41 komparátor bemenetét vezérli. A 41 komparátor kétfázisú és TTL szintű négyszöghullámú kimenő jeleket állít elő két el és e2 kimenetén. Az egyik el kimenet jele a 42 frekvenciaosztót vezérli. A 42 frekvenciaosztó osztásviszonya úgy van meghatározva, hogy j kimenetén — az előírásnak megfelelően —Figure 6 illustrates a four- or three-phase rectangular generator. The signal displayed at the output of the high frequency generator 31 controls the input of the comparator 41. Comparator 41 generates biphasic and TTL level rectangular output signals at its two outputs and e2. One forward output signal controls the frequency divider 42. The pitch ratio of the frequency divider 42 is defined such that, as specified,

2,5 kHz frekvenciájú négyszöghullám legyen.2.5 kHz rectangular wave.

A berendezés egy másik kiviteli alakjánál a két el és e2 kimenet egy-egy — első és második - 43,44 emitterkövetőt vezérel. Az első és a második 43 és 44 emitterkövető egy-egy h és i kimenete a detektáló 60 részegység egy-egy bemenetét vezérli.In another embodiment of the apparatus, the two outputs e1 and e2 control one and the other emitter trackers 43.44, respectively. Each of the outputs h and i of the first and second emitter trackers 43 and 44 respectively controls one of the inputs of the detector assembly 60.

A 7. ábrán az előfeszítő részegység néhány példakénti kiviteli alakja látható. Az előfeszítő 50 részegység általános kialakítását tekintve lebegő be- és kimenetekkel rendelkezik. Az első és a második műveleti 51,52 erősítő egy-egy bemenetére egy egyenfeszültségforrás m és n kimenete csatlakozik, melyeknek másik kivezetése a dl kimenetre csatlakozik. Az első és második műveleti 51,52 erősítő erősítési tényezője a berendezés helyes működésének megfelelően van beállítva. Az első és a második műveleti 51,52 erősítő mini kimenete a nagyfeszültségű műveleti 54 erősítő egy-egy bemenetére van kapcsolva. A második műveleti 52 erősítő ni kimenete az analóg 53 MOS-kapcsolóra is csatlakozik, mely a 40 huilámforma-generátor j kimenetén kapja a vezérlést. A j kimenet lebegő kimenet esetén egy fénydiódát vezérel, melynek fénye egy fényérzékelőt vezérel, a fényérzékelő pedig az analóg 53 MOS-kapcsolót vezérli. A j kimenetén érkező vezérlés hatására a nagyfeszültségű műveleti 54 erősítő m2 kimenetén egymásra szuperponált, változtatható nagyságú egyenfeszültségű és négyszöghullámú szint jelenik meg. Az 54 erősítő m2 kimeneté a nagyfrekvenciás 31 generátor 1 MHz frekvenciájára hangolt nagyfrekvenciás 55 sávszűrőn át csatiakozik a mérendő 10 kétpólus egyik b kivezetésére. A nagyfrekvenciás sávszűrő megakadályozza, hogy a nagyfrekvenciás 31 generátor kimenő jele az m2 pontra, ilietve a 40 négyszöggenerátor magasabb — 40. — felharmonikusa a mérendő 10 két pólusra jusson.Figure 7 shows some exemplary embodiments of the prestressing assembly. The pre-tensioner assembly 50 has floating inputs and outputs with respect to the overall configuration. The inputs m and n of a dc voltage source are connected to each input of the first and second operational amplifiers 51,52, the other terminal of which is connected to the output dl. The gain factor of the first and second operational amplifiers 51.52 is set according to the correct operation of the equipment. The mini outputs of the first and second operational amplifiers 51,52 are connected to one of the inputs of the high voltage operational amplifier 54. The output of the second operation amplifier 52 is also connected to the analog MOS switch 53 which is controlled by the output j of the waveform generator 40. Output j controls a light emitting diode with a light sensor that controls a light sensor and a light sensor that controls an analog MOS switch 53. As a result of the control arriving at the output of j, the m2 output of the high-voltage operational amplifier 54 displays superimposed variable-voltage and rectangular levels. The m2 output of amplifier 54 is coupled to a b-terminal 10 of the bipolar 10 to be measured via a high-pass filter 55 tuned to the 1 MHz frequency of the high frequency generator 31. The HF filter prevents the output of the HF generator 31 to the m2 point, and the higher harmonic 40 of the rectangle generator 40 reaches the two poles to be measured.

A 8. ábra a detektáló részegység egy példakénti kiviteli alakját szemlélteti. A 20 mérőátalakító első f kimenetén érkező nagyfrekvenciás feszültségszintet, - ameiy az admittancia abszolút értékévé! arányos - a ól erősítő tovább erősíti. A felerősített jel a 62 einitterkövető bemenetére van kapcsolva. A 62 emitterkövető kis kimenő impedanciát biztosít az utána következő 63 demodulátor részére. A 63 demodulátor a további két bemenetére kapcsolt első 43 és második 44 emitterkövetők egy-egy h,i kimenetén érkező referencia jelek hatására a nagyfrekvenciás jelet fázisérzékenyen egyenirányítják. A fázisérzékenyen egyenirányított — demodulált — jel a 63 demodulátor kimenetén jelenik meg. A demodulált jel az üzemmódot meghatározó o kimeneten érkező feszültségszint állapotától függően vagy a 64 Reed-relé kontaktusán át közvetlenül, vagy a 20 mérőátalakító g kimenetén érkező mintavevő impulzussal vezérelt analóg 65 MOS-kapcsolón át jut az aluláteresztő 66 szűrő bement téré. Az aluláteresztő 66 szűrő f5 kimenetén az üzemmódtól függően vagy folyamatosan vagy szakaszosanFig. 8 illustrates an exemplary embodiment of the detector assembly. The high frequency voltage arriving at the first main output of the measuring converter 20 - which is the absolute value of the admittance! proportional - the lead amplifier further amplifies. The amplified signal is coupled to the input of the tracker 62. The emitter tracker 62 provides low output impedance to the subsequent demodulator 63. The first emitter trackers 43 and 44 connected to the other two inputs of the demodulator 63 cause the high frequency signal to be phase-sensitive due to the reference signals at each of its outputs h, i. The phase-sensitive, demodulated signal is output at the output of demodulator 63. Depending on the state of the voltage level at the output o defining the mode, the demodulated signal is transmitted either through the contact of the Reed relay 64 directly or via an analog MOS switch 65 via a sampling pulse g output 20 of the converter 20. The low pass filter 66 has an output f5, depending on the mode, either continuously or intermittently

- mintavételesen - átlagolt jel jelenik meg. Az aluláteiesztő 66 szűrő f5 kimenetére a 67 feszültségkövető csatlakozik. A 67 feszültségkövető f6 kimenete az első műveleti 68 erősítő bemenetére csatlakozik. A 68 erősítővel történik az egységnyi kapacitásértéknek — skála mérték tényező - beállítása. Az első műveleti 68 erősítő f ’ kimenete a második műveleti 69 erősítő bemenetére csatlakozik. Ezzel a 69 erősítővel történik a „nullpont”- Sampled - An average mark is displayed. A voltage follower 67 is connected to the output f5 of the low-pass filter 66. The output f6 of the voltage follower 67 is connected to the input of the first operational amplifier 68. The amplifier 68 is used to set the unit capacity value - scale factor. The output f 'of the first operational amplifier 68 is connected to the input of the second operational amplifier 69. With these 69 amplifiers the "zero point"

- szinteltolás — beállítása. A második műveleti 69 erősítő k kimenetén jelenik meg az n jel, amit a 70 megjelenítő megjelenít.- level shift - setting. At the output of the second operation amplifier 69, the n signal displayed by the display 70 is displayed.

A találmány szerinti berendezés előnyei röviden az alábbiakban foglalhatók össze:The advantages of the apparatus according to the invention may be briefly summarized as follows:

A nagyfeszültségű műveleti erősítő alkalmazása lehetővé teszi, iiogy az előfeszítő részegység két bemenetére kis jelszintű külső egyenfeszültség-források, például functiongenerátor csatlakozását vagy digitál-analúg átalakító alkalmazását. Ez a csatlakozás flexibilisen a vezérlő jelforrások ősszeláncolása nélkül megoldható.The use of a high-voltage operational amplifier allows the use of low-level external DC sources, such as a function generator or digital-to-analog converter, to the two inputs of the biasing assembly. This connection can be flexibly solved without having to chain the control signal sources.

A találmány szerinti megoldás lehetővé teszi a mélykiürítéses MOS-kapacitásméréshez szükséges pulzáltatott egyenszintű előfeszítés megvalósítását, ami az ismert megoldásokkal nem valósítható meg, csak a mélykiürítc;es kapacitásmérés teszi lehetővé a félvezető eszköz viselkedését meghatározó adalékkoncentráció eloszlás —a diffúziós profil - meghatározását.The present invention allows for a pulsed smooth bias required for deep discharge MOS capacitance measurement, which is not feasible in the prior art, but only for deep discharge capacitance determination of the additive concentration distribution - the diffusion profile - that determines the behavior of a semiconductor device.

Az előfeszítő részegységben alkalmazott sávszűrő megakadályozza, hogy a 2,5 kHz-el pulzáltatott egyenszint magasabb rendű felharmonikusa a mélykiürítéses kapacífásmérésncí zavaró jelsziníként hozzáadódjék a nagyfrekvenciás mérőjelhez és a mérésben linearitás hibát okozzon.The bandpass filter in the biasing unit prevents the higher harmonics of the 2.5 kHz pulsed level from being added to the high frequency measurement signal as a disturbing signal in the deep discharge capacitance measurement and causes a linearity error in the measurement.

A nagyfrekvenciás mérőjel hozzákeverése az előfeszítő egyensziníhez külső generátor alkalmazása nélkül megvalósítható. A találmány szerinti berendezésben a mérendő kétpólussal sorbakapcsolt kis értékű mérőellenálláson átfolyó áram által létrehozott feszültséget visszük a műveleti erősítő nem invertáló bemenetére, így a mérőkábel aránylag nagy kapacitása nem visz lineáris hibát a mérésbe.The mixing of the high frequency measuring signal to the biasing rectifier can be accomplished without the use of an external generator. In the apparatus according to the invention, the voltage generated by the current flowing through the low-value measuring resistor connected in series with the bipolar to be measured is applied to the non-inverting input of the operational amplifier so that the relatively high capacitance of the measuring cable does not result in linear error.

A mintavevő alkalmazása teszi lehetővé, hogy mélykiürítéses kapacitásmérésnéi a jelátiagolás a hullámforma előfeszítés „magas” szintjéhez tartozó kapacitás értékre vonatkozzék.The application of the sampler allows the signal drift to refer to the "high" level of the waveform bias in its deep discharge capacitance measurement.

Szabadalmi igénypontokClaims

Claims

A method for determining the admittance of non-linear bipolar, preferably semiconductor, structures, wherein the measurement of admittance is preferably performed by determining the amplitude of the current flowing through the admittance at low amplitude sinusoidal voltage, characterized in that conducting the sum of the programmable waveform voltage and preferably a small amplitude sinusoidal voltage;

191,860

Method according to claim 1, characterized in that the demodulated signal is continuously averaged at one position of the power switch K 'for measuring high frequency capacitance, and at the other position of the operating switch K' for measuring deep discharge capacity by the analog MOS switch. in its high signal state, a voltage sample is applied to the signal carrier sample holder input.

Apparatus for determining the admittance of non-linear bipolar structures, preferably semiconductor structures, and for carrying out the method according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a circuit-switched measurement transducer (20), a detection unit (60) and a display (70). 20) one or two inputs of a sinusoidal signal generator (30) and one output (d1, d2) of the biasing component (50) to an additional input of the measuring converter (20) and the output of a waveform generator (40) to the input of the biasing component (50) (j) the input (e) of the sinusoidal signal generator (30) is connected to the input of the waveform generator (40), and the measuring input of the device is provided by the other two inputs of the measuring transducer (20). ) join. (Figure 3)

Apparatus according to claim 3, characterized in that the waveform generator (40) is three-phase with two further outputs (h, i) connected to two further, third and fourth inputs of the detecting unit (60). (Figure 3)

Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the two measuring inputs of the measuring transducer (20) are of floating design with inductive or galvanic coupling, the inductive coupling being transformer or vibrating.

6. Apparatus according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the output of the measuring transducer (20) has two first and second monostable multivibrators (21,22,23) and a first and second monostable multivibrator (21-22). j1, j2) has a switched OR gate (24) and an amplifier (26) connected to the output (j3) of the OR gate (24) and the output (f) of the amplifier (26) by an analog MOS switch (25); the five inputs of the measuring transducer (20) are the two terminals (b, c) of the bipolar (10) to be measured, the two outputs (d1 d2) of the biasing component (50) and the output (j) of the waveform generator (40).

Apparatus according to claim 6, characterized in that the amplifier (26) comprises an operational amplifier (28) and, for example, three measuring resistors (R1, R2, R3), an operating switch (K '), an input capacitor (27), two feedback resistors. (R4, R5), consisting of an output capacitor (29) and an output resistor (R6), the input of the amplifier (26) being the output (b1) of one of the inputs capacitor (27) and the output capacitor (29) and is the common terminal (f) of the resistor (R6). (Figure 4)

8. In steps 3-7. Apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the sinusoidal signal generator (30) has a circuit-switched high frequency generator (31), a phase splitter (32) and a phase slider (33), an amplifier (34) and a voltage follower (35). its two or three outputs (e, d1, d2) are those of the high frequency generator (31) and one or two outputs of the voltage following (35). (Figure 5)

Apparatus according to claim 8, characterized in that the output of the voltage follower (35) is of floating design with inductive or galvanic coupling, the inductive coupling being transformer or oscillating.

15 (Figure 5)

10. Figures 3-9. Apparatus according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the waveform generator (40) has a circuit-switched comparator (41) and a frequency divider (42), the input output of the waveform generator (40) being the first output (e), output (j) of the sinusoidal signal generator (30). and the output of the frequency divider (42). (Figure 6)

The apparatus of claim 10, wherein the waveform generator (40) has two outputs (el, e2), an output-linked emitter follower (43,44), and the other two outputs (h, i) of the waveform generator (40) one output of the first and second emitter trackers (43.44). (Figure 6)

12. Apparatus according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the first and second operational amplifiers (51,52) of the biasing assembly (50) and a high-voltage operational amplifier (54) connected to their outputs (ml, nl) and a band filter (55) has another analog MOS switch (53) connected to the output (ni) of another operation amplifier (52), one output of a dc power supply connected to one of the inputs of the two operation amplifiers (51,52) at three inputs of the biasing component (50) (m, n) and the first output (j) of a waveform generator (40) coupled to the input of the analog MOS switch (50). (Figure 7)

13. Apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the detection component (60) is a circuit-switched amplifier (61), an emitter tracker (62), a demidulator (63), and

It has 45 connected Reed relays (64) and an analog MOS switch (65), and a low pass filter (66), a voltage follower (67), and first and second operational amplifiers (68.69), five inputs of the detecting unit (60). the two outputs (f, g) of the transducer (20), the two outputs (h, i) of the three-phase bulb generator (40), and the output (o) of the Reed relay switch (64) and the second output the output of the amplifier (69). (Figure 8)

8 pieces of figure

-5191,860