JPS5815743B2 - 半導体素子の電圧−電流特性測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体素子とくに高インピーダンスの半導体素
子の電圧−電流特性の測定方法に関するものである。

ｐｎ接合を有する赤外線検知素子は一般にインピーダン
ス（微分抵抗）が１０８〜１０９ｎ程度のきわめて高い
値であるため、その電圧−電流特性を精密に測定するこ
とが困難であって、通常のダイオードカーブトレーサを
用いた場合には浮遊容量や外来雑音等の影響により測定
値に誤差を生じ易い。

また、多素子型の赤外線検知装置中の各個の素子の特性
を測定する場合には手間が煩雑で長時間を要する不利が
ある。

本発明は前述の問題点を解決したもので、被測定半導体
素子と電界効果半導体装置とを接続し、後者の電界効果
を利用して被測定半導体素子の電圧−電流特性を求める
新しい半導体素子の電圧−電流特性測定方法を提供しよ
うとするものである。

以下図面を用いて本発明に係る測定方法の一実施例につ
いて詳細に説明する。

第１図は本発明の原理的実施例を説明するための回路系
統図であって、被測定半導体素子１は本実施例では赤外
線検知用のｐｎ接合ダイオードすなわち多元半導体から
成る光起電力型接合ダイオードであり、そのアノード１
ａは接地され、カソード１には絶縁ゲート型電界効果ト
ランジスタ（以下ＭＯ３Ｔ）と略記する）２のソース電
極２ｓに直結されている。

ＭＯ８Ｔ２のゲート電極２ｇには電圧可変の直流電源３
により可変のゲートバイアス電圧が印加されるようにな
っており、該ゲートバイアス電圧と、ソース電極２ｓの
電圧（すなわち被測定接合ダイオード１のカンード電圧
）との差がＭＯ８Ｔ２のしきい値電圧を越えればＭＯ８
Ｔ２は導通状態となる。

該しきい値電圧を以下ｖＴと表記する。

７はドレイン電源である。第１図の接続においては、Ｍ
Ｏ８Ｔ２の電流はゲート−ソース間電位差によって定ま
り、ドレイン電極２ｄの電圧には実質的に無関係である
。

換言すれば被測定半導体素子１（以下被測定素子と略記
する）はソース−接地間の定電流素子として働く。

そしてＭＯ８Ｔ２のドレイン電流の値はソース電流すな
わち被測定素子１中を流れる電流の値に等しい。

そこでＭＯ８Ｔ２のドレイン電流を電流計４によって観
測しつつ電圧可変の直流電源３の出力電圧を変化させて
ゆく。

一方被測定素子１の両端の電圧は、本実施例においては
第１電圧計５により測定する。

このようにしても後述するように該第１電圧計５からは
充分圧しい指示を得ることができる。

このようにして測定した被測定素子１の電圧と電流とを
プロットしてゆけば特性曲線が得られる。

また上記特性曲線から容易に被測定素子１のインピーダ
ンスを求めることができる。

第１図によって説明した実施例の方法においては、被測
定素子１の高インピーダンスを逆に利用してＭＯ８Ｔ２
のソースの定電流源として働かせている。

しかも該被測定素子１の非接地端（すなわちカソード１
ｋ）はＭＯＳ Ｔ ２のソース電極２ｓに直結されてい
るため、この点のインピーダンスはＭＯＳ Ｔ １のソ
ースのインピーダンスにほぼ等しく数１００Ω〜数１Ｏ
ＫΩ程度となるから雑音誘導等の妨害はきわめて少くな
る。

もちろんＭＯ８Ｔ２のソースインピーダンスは被測定素
子１のインピーダンスよりも３桁以上低いから、該ソー
スインピーダンスが被測定素子１の動作に与える影響は
全く無視できる程度となり、したがってまた第１電圧計
５として内部抵抗１０５Ω以上のものを使用すれば該内
部抵抗に基因する測定誤差も充分小さいものとすること
ができる。

なお第２電圧計６はＭＯ８Ｔ２のゲート電圧を測定する
ために設けられたものであって、この第２電圧計６の内
部抵抗は直流電源３の内部抵抗よりも充分高ければよい
３また、ＭＯ８Ｔ２のゲート相互コンダクタンスが低い
場合にはそのソース電極から見たインピーダンスがかな
り高くなる。

この場合にはゲート電圧とドレイン電流とからソース電
位を算出すればよい３つぎに、測定の対象が単一素子で
なくて多数の同種の素子を集積した集合体または集積回
路である場合には、単一のＭＯ８Ｔに代えて電荷転送装
置を使用すると非常に便利である。

このような実施例について以下に説明する。

第２図はＭＯ８Ｔの代わりに電荷転送装置の一種である
電荷結合装置（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄｐｅｖｉ
ｃｅ、以下ＣＣＤと略記する）を使用した実施例であっ
て、被測定素子は狭いエネルギー間隔を有する多元半導
体から成る光起電力型光ダイオードの集合体（通常多素
子型赤外線検知装置と呼ばれる）である。

以下これを集合体と略称する。集合体２１中の各個の光
ダイオードＤ１．Ｄ２．Ｄ３・・・・・・ＤｎはＣＣＤ
２２の入力ダイオードＳ１．Ｓ２゜Ｓ３．・・・・・・
、Ｓｎにそれぞれ接続されている。

本実施例においてはこの接続は直流的接続とする。

ＣＣＤ２２は上記入力ダイオード群のほかに入力ゲート
電極２３、蓄積電極２４、移送ゲート電極２５、転送電
極群１０１．１０２，１０３．・・・・・・および出力
ダイオード２２ｄ１出力ゲート電極２７を有している。

なお便宜上ＣＣＤ２２は２相駆動力式とし、転送用パル
ス列発生回路および転送用パルス列印加のための母線は
図示を省略したが、本図のＣＣＤ２２は転送動作につい
ては通常ののＣＣＤと何ら変わるところがない。

一般にＣＣＤは入力ダイオードをソース領域とし、出力
ダイオードをドレイン領域とし、該両領域の間に多数の
ゲート電極を有するＭＯ８Ｔと見なすことができる。

したがって第２図の回路の動作は第１図の回路の動作と
本質的に異なるところはない。

しかしＣＣＤはパルス動作であるため、第１図の場合に
おけるような直流的測定は不可能である。

ゆえにＣＣＤ２２の各電極にはそれぞれパルス電圧を印
加し、かつ電流を電荷に変換して測定する。

以下第２図の回路の動作につき詳細に説明する。

なお説明の便宜上ＣＣＤ２２の基板の導電型はＰ型とす
る。

第２図において入力ゲート電極２３にＶＴ（Ｌきい値電
圧）以上の正電圧を印加すれば該ゲート電極２３下のチ
ャンネルを通って電流が流れる。

このことはすべてのソース領域Ｓ１．Ｓ２．Ｓ３゜・・
・・・・Ｓｎについて同じである。

しかし第２図の場合にはこの電流はただちに出力ダイオ
ード２２ｄから流出するのではなく、一旦蓄積電極２４
下の電位の井戸に蓄えられ、次いでＣＣＤ２２のチャン
ネル内を転送されて行く。

いまたとえば１個のソース領域Ｓ１から流出した可動電
荷すなわち電流キャリアについて述べると、この電流キ
ャリア（以下単に電荷と言う）は、入力ゲート電極２３
の下を通り過ぎて蓄積電極２４下の電位の井戸内に一旦
蓄積される。

この蓄積を行う理由は、一般に本実施例における被測定
素子、すなわち多光半導体から成る赤外線検知装置内の
各個のダイオードは高インピーダンスであるからで、こ
のため該各板測定素子から流出するわずかな電流を上記
蓄積電極２４下の電位の井戸内に蓄積してＣＣＤ２２に
より処理し易い電荷量に達してから幾送ゲート電極２５
を「開」（通過）状態としてＣＣＤ２２の転送電極１０
１下の電位の井戸内に移送する。

移送された電荷はＣＣＤ２２の通常の電荷転送動作によ
りチャンネル内を矢印２６の向きに転送されて最後位の
転送電極１０ｎに到達する。

この後出力ゲート電極２７が正電位になれば上記電荷は
出力ダイオード２２ｄに入って検出される。

この実施例においては電荷量の検出を容易確実にするた
めに出力ダイオード２２ｄに電荷増幅器（Ｃｈａｒｇｅ
５ｅｎｓｉｔｉｖｅ Ａｍｐｌ １ｆｉｅｒ ）２８
を接続し、正確に電荷量に比例する出力を出力端子２９
から得ている。

なお電荷増幅器とは入力端子２７に発生した電荷量に比
例する出力電圧を生ずる型の増幅器を意味する。

このようにして検出された電荷量は、ＣＣＤ２２の転送
損失を無視し得る限り入力ゲート電極２３下を通って流
れた電流に比例するから、上記電荷量から電流値を知る
ことができる。

以上は１個の入力ダイオードから流出した電荷について
考察したが、上述のような動作のしくみはすべての入力
ダイオードについて同一である。

したがって周知のＣＣＤの動作からただちに理解される
ように、出力ダイオード２２ｄからは転送用パルス列の
一周期ごとに、各個の入力ダイオードＳ１．Ｓ２．Ｓ３
．・・・・・・、Ｓｎからそれぞれ転送されて来た電荷
が時系列として検出される。

換言すれば、各個の被測定素子Ｄ１．Ｄ２．Ｄ３．・・
・・・・の電流を表す信号が、上記−周期ずつの時間間
隔をおいて次々と電荷増幅器２８の出力端子２９に現れ
てくることになる。

そこで第１図について前述したように、入力ゲート電極
２３の電圧を変化させて、その変化に対応する各被測定
素子の電流の変化を観測すれば目的とする電圧−電流特
性が得られる。

なお被測定素子の電圧は入力ゲート電極２３の電圧から
算出すればよい。

上述したところから理解されるように、第２図の回路に
よれば切替え回路等を要せずに多数の被測定素子の特性
を一挙に測定することが可能である。

なお被測定素子の電流値が比較的大きい場合には蓄積電
極２４を省略してＣＣＤ２２の転送電極下に生ずる電位
の井戸中に電荷蓄積を行わせてもよい。

この場合には上記転送電極が電荷蓄積すなわち電流積分
と、電荷転送とのふた役を兼ねることになる。

以上説明した本発明に係る測定方法は、高インピーダン
スの半導体素子、たとえば逆バイアスまたは雰バイアス
状態の多元半導体ダイオード等の電圧−電流特性を容易
に測定することができ、したがってとくに赤外線検知用
として上記ダイオードを用いる場合に肝要となる零バイ
アス付近のインピーダンスを容易に求めることができる
優れた利点がある。

とくに電界効果半導体装置としてＣＣＤ等の電荷転送装
置を用いた場合には多数の素子の特性を一挙に測定する
ことができる便利がある。

ゆえにとくに多素子型赤外線検知器の主体となる集合体
の特性測定に適用してきわめて有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る測定方法の基本的実施例に使用す
る回路の簡略系統図、第２図は本発明に係る測定方法の
他の一実施例に使用する回路の簡略系統図である。 １・・・・・・被測定素子、２・・・・・・ＭＯ８Ｔ、
３・・・・・・電圧可変の直流電源、４・・・・・・電
流計、５・・・・・・第１電圧計、６・・・・・・第２
電圧計、７・・・・・・ドレイン電源、２１・・・・・
・赤外線検知素子集合体、２２・・・・・・ＣＣＤ。 Ｓｌ、Ｓ２．Ｓ３．・・・・・・Ｓｎ・・・・・・入力
ダイオード、２２ｄ・・・・・・出力ダイオード、２３
・・・・・・入力ゲ−ト電極、２４・・・・・・蓄積電
極、２５・・・・・・移送ゲート電極、２７・・・・・
・出力ゲート電極、２８・・・・・・重荷増幅器、１０
１．１０２，１０３．・・・・・・、１０ｎ・・・・・
・転送電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定半導体素子の１個の端子を電界効果型半導体
   装置のソース領域に、他の１個の端子を基準電位点にそ
   れぞれ接続し、上記電界効果型半導体装置のゲート電極
   −基準電位点間にバイアス電圧を印加し、このバイアス
   電圧を変化させることにより被測定半導体素子の端子間
   電圧を変化せしめ、かつ各電圧値に対応する電界効果型
   半導体装置のソース電流を測定することによって被測定
   半導体素子の電圧−電流特性を知ることを特徴とする半
   導体素子の電圧−電流特性測定方法。 ２ 電界効果型半導体装置が電荷結合装置であり該電荷
   結合装置の入力ゲート電極−基準電位点間にバイアス電
   圧を印加することを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の半導体素子の電圧−電流特性測定方法。