RU127942U1 - DEVICE FOR MEASURING CAPACITY AND CONDUCTIVITY OF MOSFET STRUCTURES IN THE FIELD OF INFRANIZED FREQUENCIES - Google Patents

DEVICE FOR MEASURING CAPACITY AND CONDUCTIVITY OF MOSFET STRUCTURES IN THE FIELD OF INFRANIZED FREQUENCIES Download PDF

Info

Publication number
RU127942U1
RU127942U1 RU2012145357/28U RU2012145357U RU127942U1 RU 127942 U1 RU127942 U1 RU 127942U1 RU 2012145357/28 U RU2012145357/28 U RU 2012145357/28U RU 2012145357 U RU2012145357 U RU 2012145357U RU 127942 U1 RU127942 U1 RU 127942U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
measuring
unit
voltage
Prior art date
Application number
RU2012145357/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Александрович Попов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН)
Priority to RU2012145357/28U priority Critical patent/RU127942U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU127942U1 publication Critical patent/RU127942U1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

1. Устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот, содержащее исследуемую МДП-структуру, генератор тестового сигнала и напряжения смещения, блок измерения напряжения, блок обработки и отображения информации, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит измерительную головку, включающую входной ключ, трансимпедансный усилитель, токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя, далее синхронный детектор, интегратор, цифроаналоговый преобразователь, блок управления, при этом исследуемая МДП-структура установлена между выходом генератора тестового сигнала и напряжения смещения и входом измерительной головки, первый выход которой соединен с синхронным детектором, выход которого подключен к входу интегратора, выход интегратора подключен к входу блока измерения напряжения, выход которого подключен к блоку обработки и отображения информации, первый выход которого подключен к входу блока управления, второй выход к входу цифроаналогового преобразователя, который, в свою очередь, подключен ко второму входу измерительной головки, причем выходы блока управления подключены параллельно к входу генератора тестового сигнала и напряжения смещения, к двум входам измерительной головки, к входу синхронного детектора, входу интегратора и входу блока измерения напряжения.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трансимпедансный усилитель содержит в цепи отрицательной обратной связи набор резисторов обратной связи и последовательно соединенных с ними ключей.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительная головка выполнена вын�1. A device for measuring the capacitance and conductivity of MIS structures in the low-frequency domain, containing the MIS structure under study, a test signal and bias voltage generator, a voltage measuring unit, an information processing and display unit, characterized in that it further comprises a measuring head including input key, transimpedance amplifier, current-sensing resistor in the input current correction circuit of the transimpedance amplifier, then a synchronous detector, integrator, digital-to-analog converter, unit control unit In this case, the MIS structure under study is installed between the output of the test signal generator and bias voltage and the input of the measuring head, the first output of which is connected to a synchronous detector, the output of which is connected to the integrator input, the integrator output is connected to the input of the voltage measuring unit, the output of which is connected to information processing and display unit, the first output of which is connected to the input of the control unit, the second output to the input of the digital-to-analog converter, which, in turn, is connected to the second input of the measuring head, the outputs of the control unit being connected in parallel to the input of the test signal generator and bias voltage, to the two inputs of the measuring head, to the input of the synchronous detector, the input of the integrator, and the input of the voltage measuring unit. 2. The device according to claim 1, characterized in that the transimpedance amplifier comprises a set of feedback resistors and keys connected in series with them in the negative feedback circuit. The device according to claim 1, characterized in that the measuring head is made

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и является устройством для измерения параметров МДП-структур (емкости и проводимости) в области инфранизких частот (от 0.01 Гц.) Преимущественная область использования - научные исследования. Полезная модель может быть использована для контроля качества полупроводниковых приборов.The utility model relates to measuring technique and is a device for measuring the parameters of MIS structures (capacitance and conductivity) in the field of infra-low frequencies (from 0.01 Hz.) The main area of use is scientific research. The utility model can be used to control the quality of semiconductor devices.

Необходимость проведения измерений в области инфранизких частот вызвана тем, что ввиду малых скоростей обмена зарядами между поверхностью полупроводника и ловушками, локализованными в объеме диэлектрика, особенности поведения указанных зависимостей проявляются именно на этих частотах. Изучение этих зависимостей необходимо для выяснения природы ловушек и определения возможностей ослабления их влияния на развитие гистерезисных явлений.The need for measurements in the region of infralow frequencies is due to the fact that, due to the low rates of charge exchange between the semiconductor surface and traps localized in the dielectric volume, the behavior of these dependences is manifested precisely at these frequencies. The study of these dependences is necessary to elucidate the nature of traps and to determine the possibilities of weakening their influence on the development of hysteresis phenomena.

Прямой метод измерений с помощью вольтметра и амперметра не получил распространения из-за сложности работы с сигналами таких низких уровней, а также шумов аппаратуры. Мостовой (компенсационный) метод ввиду сложности изготовления трансформаторов для инфразвуковых частот практически не применяется.The direct measurement method using a voltmeter and ammeter is not widespread due to the complexity of working with signals of such low levels, as well as noise of the equipment. The bridge (compensation) method due to the complexity of manufacturing transformers for infrasound frequencies is practically not used.

Метод, использующий процедуру предварительного преобразования тока в напряжение, имеет существенное ограничение, связанное с тем, что входные токи и токи утечек современных прецизионных усилителей превышают или в лучшем случае сравнимы с измеряемыми токами. Известны технические приемы (By Alfredo Saab and Randall White, Maxim Integrated Products - July 18, 2008), позволяющее снизить суммарное значение входного тока и токов утечки измерительных устройств на операционных усилителях до 28-38 фА. Однако, этого значения недостаточно.The method using the procedure of preliminary conversion of current to voltage has a significant limitation, due to the fact that the input currents and leakage currents of modern precision amplifiers exceed or are, at best, comparable with the measured currents. Techniques are known (By Alfredo Saab and Randall White, Maxim Integrated Products - July 18, 2008), which reduces the total input current and leakage currents of measuring devices on operational amplifiers to 28-38 fA. However, this value is not enough.

Величина емкостного тока через МДП-структуру имеющую емкость 10 пФ на частоте 0.03 Гц при амплитуде тестового сигнала 20 мВ составит порядка 30 фА, измерять которую необходимо с разрешением лучше 1 фА. Это относится и к измерению проводимости. В настоящее время доступных приборов, обеспечивающих измерение таких значений емкости и проводимости в области инфразвуковых частот нет.The value of the capacitive current through the MIS structure having a capacitance of 10 pF at a frequency of 0.03 Hz at an amplitude of the test signal of 20 mV will be about 30 fA, which must be measured with a resolution better than 1 fA. This also applies to conductivity measurement. Currently, there are no devices available that measure such capacitance and conductivity in the area of infrasound frequencies.

Известно техническое решение используемое в анализаторе полупроводниковых приборов Agilent1500A, (http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-2785EN.pdf) позволяющее измерять слабые токи с разрешением до 0,1 фемтоампер, в котором используется периодическая коррекция, однако, измерение емкости производится на частотах от 1 кГц до 5 МГц, а блочная структура прибора не позволяет измерять емкость и проводимость одновременно.Known technical solution used in the analyzer of semiconductor devices Agilent1500A, (http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-2785EN.pdf) that allows to measure low currents with a resolution of up to 0.1 femtoampers, which uses periodic correction however, the capacitance is measured at frequencies from 1 kHz to 5 MHz, and the block structure of the device does not allow measuring capacitance and conductivity at the same time.

Недостатком известного технического решения является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.A disadvantage of the known technical solution is that it does not provide a measurement of characteristics in the field of low frequencies.

Известно техническое решение используемое в измерителе импеданса Е7-20 (ОАО «МНИПИ»), (http://www.mnipi.ru/products.php4?group=6&device=0). Данное техническое решение позволяет проводить измерение емкости и проводимости при напряжении смещения на измеряемом объекте в диапазоне от 0 до 40 В в диапазоне частот от 25 Гц до 1 МГц.Known technical solution used in the impedance meter E7-20 (JSC "MNIPI"), (http://www.mnipi.ru/products.php4?group=6&device=0). This technical solution allows the measurement of capacitance and conductivity at a bias voltage on the measured object in the range from 0 to 40 V in the frequency range from 25 Hz to 1 MHz.

Недостатком известного технического решения является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.A disadvantage of the known technical solution is that it does not provide a measurement of characteristics in the field of low frequencies.

Известно техническое решение используемое в измерителе параметров полупроводниковых приборов ИППП-1 (http://www.mnipi.ru/products.php4?group=11&device=0), производства ОАО «МНИПИ», которое использует отдельные каналы для измерения напряжения и тока. Чувствительность измерителя тока составляет 100 фА.There is a known technical solution used in the parameter meter of semiconductor devices IPPP-1 (http://www.mnipi.ru/products.php4?group=11&device=0), manufactured by OJSC MNIPI, which uses separate channels for measuring voltage and current. The sensitivity of the current meter is 100 fA.

Недостатком известного технического решения является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот, а также низкая чувствительность при измерении тока.A disadvantage of the known technical solution is that it does not provide a measurement of characteristics in the field of low frequencies, as well as low sensitivity when measuring current.

Известно техническое решение, используемое в способе определения параметров полупроводниковых структур (Патент РФ №2437112 «Способ определения параметров полупроводниковых структур», МПК G01R 31/26, опубликовано 20.12.2011) позволяющий проводить измерение емкости и проводимости полупроводникового прибора на аппаратно - программируемом комплексе спектроскопии в диапазоне частот напряжения тестового сигнала от 20 Гц до 2 МГц и напряжений смещения +/-40 В. Этот частотный диапазон не соответствует области инфранизких частот.A technical solution is known that is used in the method for determining the parameters of semiconductor structures (RF Patent No. 2437112 "Method for determining the parameters of semiconductor structures", IPC G01R 31/26, published December 20, 2011), which makes it possible to measure the capacitance and conductivity of a semiconductor device on a hardware-programmed spectroscopy complex in the frequency range of the test signal voltage is from 20 Hz to 2 MHz and bias voltages +/- 40 V. This frequency range does not correspond to the infra-low frequency range.

Недостатком известного технического решения является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частотA disadvantage of the known technical solution is that it does not provide a measurement of the characteristics in the field of low frequencies

Известно устройство для измерения параметров полупроводниковых структур (Патент РФ №1222145 «Устройство для измерения параметров полупроводниковых структур», МПК H01L 21/66, опубликовано 27.06 2012), содержащее блок подключения измеряемой структуры, генератор смещения, генератор синусоидального напряжения, усилитель, первый выход которого соединен с первым входом регистратора, второй вход которого соединен с первым выходом генератора смещения, второй выход генератора смещения, третий вход регистратора, вторые выходы детектора и усилителя соединены с общей шиной устройства, и с целью повышения точности, оно снабжено режекторным фильтром, двумя трансформаторами, двумя конденсаторами и катушкой индуктивности. Это устройство позволяет повысить точность измерения, но не обеспечивает измерение параметров в области инфранизких частот.A device for measuring the parameters of semiconductor structures is known (RF Patent No. 1222145 "Device for measuring the parameters of semiconductor structures", IPC H01L 21/66, published June 27, 2012), comprising a unit for connecting the measured structure, a bias generator, a sinusoidal voltage generator, an amplifier, the first output of which connected to the first input of the recorder, the second input of which is connected to the first output of the bias generator, the second output of the bias generator, the third input of the registrar, the second outputs of the detector and amplifier enes devices to a common bus, and to improve accuracy, it is provided with a notch filter, two transformers, two capacitors and an inductor. This device allows to increase the measurement accuracy, but does not provide measurement of parameters in the area of infra-low frequencies.

Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.A disadvantage of the known device is that it does not provide a measurement of the characteristics in the field of low frequencies.

Известно устройство для измерения C-G-V- характеристик МДП-структур (Патент РФ №1433207 «Устройство для измерения C-G-V- характеристик МДП-структур», МПК G01R 31/26 опубликовано 10.12.1997), Устройство содержит блок управления, источник опорного напряжения, опорный конденсатор, операционный усилитель, клеммы для подключения исследуемого объекта, программируемый источник смещения, разделительный конденсатор, вычитатели напряжений и управляемые делители. Расширение функциональных возможностей этого устройства достигается тем, что устройство позволяет дополнительно измерять сопротивление утечек МДП-структуры.A device is known for measuring the CGV characteristics of MIS structures (RF Patent No. 1433207, “Device for measuring the CGV characteristics of MIS structures”, IPC G01R 31/26 published on December 10, 1997), the device comprises a control unit, a reference voltage source, a reference capacitor, operational amplifier, terminals for connecting the studied object, programmable bias source, isolation capacitor, voltage subtractors and controlled dividers. The expansion of the functionality of this device is achieved by the fact that the device allows you to additionally measure the leakage resistance of the MOS structure.

Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.A disadvantage of the known device is that it does not provide a measurement of the characteristics in the field of low frequencies.

Известно устройство для измерения характеристик полупроводников (Патент РФ №2007739 «Устройство для измерения характеристик полупроводников», МПК G01R 31/26, опубликовано 15.02.1994) Сущностью изобретения является введение новых блоков, что позволяет подавать на вторую клемму для подключения полупроводника противофазное напряжение постоянной амплитуды и осуществить аналоговую обработку сигналов в режиме компенсации. Это позволяет повысить устойчивость работы отрицательной обратной связи для поддержания постоянства тока через измеряемую емкость и снизить тестирующие напряжения на образце, расширить диапазон измеряемых добротностей. Введение схемы компенсации в измерительном канале концентрации позволяет повысить точность измерения параметров.A device for measuring the characteristics of semiconductors is known (RF Patent No. 2007739, “Device for measuring the characteristics of semiconductors”, IPC G01R 31/26, published 02.15.1994). The invention is the introduction of new units, which allows applying an antiphase voltage of constant amplitude to the second terminal for connecting the semiconductor and carry out analog signal processing in compensation mode. This allows you to increase the stability of the negative feedback to maintain a constant current through the measured capacitance and reduce the test voltage on the sample, expand the range of measured Q factors. The introduction of a compensation scheme in the concentration measuring channel makes it possible to increase the accuracy of the measurement of parameters.

Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.A disadvantage of the known device is that it does not provide a measurement of the characteristics in the field of low frequencies.

Известно устройство для измерения характеристик МДП-структур (Патент РФ №1143197 «Устройство для измерения характеристик МДП-структур», МПК G01R 31/26, опубликовано 27.06.2012) выбранное в качестве прототипа, содержащее генератор тестового сигнала и генератор напряжения смещения, выход которых соединены с первой клеммой для подключения испытуемой структуры, вторая клемма для подключения которой соединена с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, усилитель напряжения, вход которого соединен со второй клеммой для подключения испытуемой структуры, блок измерения напряжения, выход которого соединен с входом блока обработки и отображения информации. Это устройство позволяет повысить точность измерения характиристик, но не обеспечивает измерение параметров в области инфранизких частот.A device is known for measuring the characteristics of MIS structures (RF Patent No. 1143197 "Device for measuring the characteristics of MIS structures", IPC G01R 31/26, published June 27, 2012) selected as a prototype, comprising a test signal generator and a bias voltage generator, the output of which connected to the first terminal for connecting the test structure, the second terminal for connecting to which is connected to the first terminal of the resistor, the second terminal of which is connected to a common bus, a voltage amplifier, the input of which is connected to the second terminal for switching test structure, a voltage measuring unit, the output of which is connected to the input of the processing unit and information display. This device allows to increase the accuracy of characterization measurements, but does not provide measurement of parameters in the area of infra-low frequencies.

Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.A disadvantage of the known device is that it does not provide a measurement of the characteristics in the field of low frequencies.

Перед автором ставилась задача разработать устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот, позволяющего проводить измерение емкости и проводимости в области частот от 0.01 Гц с абсолютной погрешностью единицы и доли фемтоампер со временем измерения равным одному периоду частоты тестового сигнала.The author was tasked with developing a device for measuring the capacitance and conductivity of MIS structures in the low-frequency range, which allows measuring capacitance and conductivity in the frequency range from 0.01 Hz with an absolute error of one and a fraction of femtoamperes with a measurement time equal to one period of the test signal frequency.

Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот, содержащее исследуемую МДП-структуру, генератор тестового сигнала и напряжения смещения, блок измерения напряжения, блок обработки и отображения информации дополнительно содержит измерительную головку включающую входной ключ, трансимпедансный усилитель, токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя, далее синхронный детектор, интегратор, цифро-аналоговый преобразователь, блок управления, при этом исследуемая МДП-структура установлена между выходом генератора тестового сигнала и напряжения смещения и входом измерительной головки, первый выход которой соединен с синхронным детектором, выход которого подключен к входу интегратора, выход интегратора подключен к входу блока измерения напряжен, выход которого подключен к блоку обработки и отображения информации, первый выход которого подключен к входу блока управления, второй выход к входу цифро-аналогового преобразователя, который в свою очередь подключен ко второму входу измерительной головки, причем выходы блока управления подключены параллельно к входу генератора тестового сигнала и напряжения смещения, к двум входам измерительной головки, к входу синхронного детектора, входу интегратора и входу блока измерения напряжения, причем измерительная головка выполнена выносной из конструкции устройства, в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя установлен набор резисторов и последовательно соединенных с ними ключей, а блок обработки и отображения информации выполнен содержащим электронно-вычислительную машину, блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной соединенный с вычислительной машиной двунаправленной линией связи.The problem is solved in that the device for measuring the capacitance and conductivity of MIS structures in the low-frequency domain, containing the MIS structure under study, a test signal and bias voltage generator, a voltage measurement unit, an information processing and display unit further comprises a measuring head including an input key, transimpedance amplifier, current-sensing resistor in the correction circuit of the input current of the transimpedance amplifier, then a synchronous detector, integrator, digital-to-analog converter l, the control unit, while the MIS structure under study is installed between the output of the test signal generator and bias voltage and the input of the measuring head, the first output of which is connected to a synchronous detector, the output of which is connected to the input of the integrator, the output of the integrator is connected to the input of the measurement unit, the output which is connected to the information processing and display unit, the first output of which is connected to the input of the control unit, the second output to the input of the digital-to-analog converter, which in turn connect is connected to the second input of the measuring head, the outputs of the control unit being connected in parallel to the input of the test signal generator and bias voltage, to the two inputs of the measuring head, to the input of the synchronous detector, the input of the integrator and the input of the voltage measuring unit, the measuring head being made remote from the device’s design, in the feedback circuit of the transimpedance amplifier there is a set of resistors and keys connected in series with them, and the information processing and display unit is made containing their electronic computer unit interfacing with a computing machine connected to a computing machine bidirectional link.

Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в повышении чувствительности при измерении емкостного тока МДП-структуры, в коррекции входного тока усилителя, в снижении уровня шумов и интегрировании выходного тока за период тестовой частоты, а также в расширении функциональных возможностей и расширении ассортимента устройств данного назначения.The technical effect of the claimed utility model is to increase the sensitivity when measuring the capacitive current of the MIS structure, to correct the input current of the amplifier, to reduce the noise level and integrate the output current during the test frequency period, as well as to expand the functionality and expand the range of devices for this purpose.

На фиг.1 приведена блок-схема, поясняющая работу заявляемого устройства для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот, где 1 - генератор тестового сигнала и напряжения смещения, 2 - исследуемая МДП-структура, 3 - измерительная головка, 4 - синхронный детектор, 5 - интегратор, 6 - блок измерения напряжения, 7 - блок обработки и отображения информации, 8 - блок управления, 9 - цифро-аналоговый преобразователь, 10 - блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной, 11 - электронно-вычислительная машина.Figure 1 is a block diagram explaining the operation of the inventive device for measuring the capacitance and conductivity of MIS structures in the field of infra-low frequencies, where 1 is the generator of the test signal and bias voltage, 2 is the investigated MIS structure, 3 is the measuring head, 4 is synchronous detector, 5 - integrator, 6 - voltage measuring unit, 7 - information processing and display unit, 8 - control unit, 9 - digital-to-analog converter, 10 - unit for interfacing with an electronic computer, 11 - electronic computer.

На фиг.2 представлена блок-схема измерительной головки, где 12 - входной ключ, 13 - трансимпедансный усилитель, 14 - токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя, 15-17 резисторы обратной связи, 18, 19 - ключи.Figure 2 presents the block diagram of the measuring head, where 12 is the input key, 13 is the transimpedance amplifier, 14 is the current-setting resistor in the correction circuit of the input current of the transimpedance amplifier, 15-17 are feedback resistors, 18, 19 are the keys.

Заявляемое устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот работает следующим образом. Исследуемая МДП-структура 2 устанавливается между выходом генератора тестового сигнала и напряжения смещения 1 и входом измерительной головки 3, первый выход которой соединен с синхронным детектором 4, выход которого подключен к входу интегратора 5, выход интегратора 5 подключен к входу блока измерения напряжения 6, выход которого подключен к блоку обработки и отображения информации 7, первый выход которого подключен к входу блока управления 8, второй выход к входу цифро-аналогового преобразователя 9, который в свою очередь подключен ко второму входу измерительной головки 3, причем выходы блока управления 8 подключены параллельно к входу генератора тестового сигнала и напряжения смещения 1, к двум входам измерительной головки 3, к входу синхронного детектора 4, входу интегратора 5 и входу блока измерения напряжения 6. Причем измерительная головка 3 может быть вынесена из устройства и расположена вблизи исследуемой МДП-труктуры 2. Выносной вариант измерительной головки 3 позволяет повысить точность измерения за счет снижения уровня наводок на измерительные цепи.The inventive device for measuring the capacitance and conductivity of MIS structures in the field of infralow frequencies works as follows. The investigated MIS structure 2 is installed between the output of the test signal generator and bias voltage 1 and the input of the measuring head 3, the first output of which is connected to a synchronous detector 4, the output of which is connected to the input of the integrator 5, the output of the integrator 5 is connected to the input of the voltage measuring unit 6, the output which is connected to the information processing and display unit 7, the first output of which is connected to the input of the control unit 8, the second output to the input of the digital-to-analog converter 9, which in turn is connected to the second the input of the measuring head 3, and the outputs of the control unit 8 are connected in parallel to the input of the test signal generator and bias voltage 1, to the two inputs of the measuring head 3, to the input of the synchronous detector 4, the input of the integrator 5 and the input of the voltage measuring unit 6. Moreover, the measuring head 3 can be taken out of the device and located near the investigated MIS-structure 2. The portable version of the measuring head 3 allows to increase the measurement accuracy by reducing the level of interference on the measuring circuit.

Измерительная головка 3 выполнена содержащей входной ключ 12, трансимпедансный усилитель 13, токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока усилителя 14, причем в цепи отрицательной обратной связи трансимпндансного усилителя 13 содержится набор резисторов 15, 16, 17 и последовательно соединенных с ними ключей 18, 19, которыми устанавливается диапазон измеряемых токов.The measuring head 3 is made containing an input key 12, a transimpedance amplifier 13, a current-setting resistor in the input current correction circuit of the amplifier 14, and in the negative feedback circuit of the transimpedance amplifier 13 contains a set of resistors 15, 16, 17 and keys 18, 19 connected in series with them which sets the range of measured currents.

Методически, процедура измерения состоит в том, что на вход исследуемой МДП-структуры 2 подается тестовый сигнал, состоящий из суммы сигналов переменного тока малой амплитуды и постоянного или линейно-изменяющегося напряжения, определяющего диапазон исследуемых состояний системы. На выходе исследуемой МДП-структуры 2 измеряются постоянная и переменная компоненты тока, по которым вычисляются емкость и проводимость и строится график их зависимости от значений напряжения на входе исследуемой структуры.Methodically, the measurement procedure consists in the fact that the input of the investigated MIS structure 2 is supplied with a test signal consisting of the sum of low-amplitude AC signals and a constant or linearly varying voltage that determines the range of the system states under study. At the output of the investigated MIS structure 2, the constant and alternating current components are measured, which are used to calculate the capacitance and conductivity and plot their dependence on the voltage values at the input of the studied structure.

При разомкнутом входном ключе 12 на выходе трансимпедансного усилителя 13 устанавливается напряжение пропорциональное току утечки входа самого трансимпедансного усилителя 13 и токов утечки по изоляции, проникающих на вход трансимпедансного усилителя 13 от внешних источников (Io). Полагая, что коэффициент сигнала ошибки операционного усилителя А>>1, что реально имеет место в операционном усилителе, это напряжение имеет вид:When the input key 12 is open, the output of the transimpedance amplifier 13 is set to a voltage proportional to the leakage current of the input of the transimpedance amplifier 13 itself and the leakage currents through insulation penetrating the input of the transimpedance amplifier 13 from external sources (I o ). Assuming that the coefficient of the error signal of the operational amplifier A >> 1, which actually takes place in the operational amplifier, this voltage has the form:

Uo=IoRoc U o = I o R oc

где Io - суммарный ток утечки трансимпедансного усилителя 13 при разомкнутом входном ключе 12, Roc - значение сопротивления в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя 13. Это напряжение измеряется блоком измерения напряжения 6 и код передается в блок обработки и отображения информации 7, а именно через блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной 10 в электронно-вычислительную машину 11, где вычисляется значение I0.where I o is the total leakage current of the transimpedance amplifier 13 with the input key 12 open, R oc is the resistance value in the feedback circuit of the transimpedance amplifier 13. This voltage is measured by the voltage measuring unit 6 and the code is transmitted to the information processing and display unit 7, namely, through a unit for interfacing with the electronic computer 10 to the electronic computer 11, where the value I 0 is calculated.

В рабочем режиме, когда замыкается входной ключ 12, электронно-вычислительная машина 11 через цифро-аналоговый преобразователь 9 и подключенный к его выходу токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя 13 формирует ток - Iк=I0, поступающий на вход трансимпедансного усилителя 13 в качестве тока компенсации. При замыкании входного ключа 12, на выходе трансимпедансного усилителя 13 будет действовать напряжение, определяемое суммой четырех токов: переменного емкостного тока Ic, поступающего на вход трансимпедансного усилителя 13 с выхода МДП-структуры 2 и обусловленного значением емкости МДП-структуры 2 и действием синусоидального напряжения частоты F0, поступающего с выхода генератора тестового сигнала и напряжения смещения 1; постоянного тока Iи, так же поступающего на вход трансимпедансного усилителя 13 с выхода МДП-структуры 2 и обусловленного значением проводимости МДП-структуры и действием постоянного напряжения, установленного на выходе генератора тестового сигнала и напряжения смещения 1, тока утечки I0 и тока коррекции - Iк In the operating mode, when the input key 12 is closed, the electronic computer 11 through the digital-to-analog converter 9 and a current-sensing resistor connected to its output in the correction circuit of the input current of the transimpedance amplifier 13 generates a current - I к = I 0 , which is fed to the input of the transimpedance amplifier 13 as compensation current. When the input key 12 is closed, the voltage determined by the sum of four currents will act at the output of the transimpedance amplifier 13: an alternating capacitive current I c supplied to the input of the transimpedance amplifier 13 from the output of the MOS structure 2 and caused by the value of the capacity of the MOS structure 2 and the action of a sinusoidal voltage frequency F 0 coming from the output of the test signal generator and bias voltage 1; direct current I and , also coming to the input of the transimpedance amplifier 13 from the output of the MOS structure 2 and due to the value of the conductivity of the MIS structure and the action of a constant voltage installed at the output of the test signal generator and bias voltage 1, leakage current I 0 and correction current - I to

Uвых=(Ic+Iи+I0-Iк)Roc=(Ic+Iи)Roc.,U out = (I c + I and + I 0 -I to ) R oc = (I c + I and ) R oc .,

где Ic и Iи - емкостная и постоянная составляющие тока протекающего через МДП-структуру 2, I0 - ток утечки, Iк - ток коррекции, Roc - значение сопротивления в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя.where I c and I and are the capacitive and constant components of the current flowing through the MIS structure 2, I 0 is the leakage current, I k is the correction current, R oc is the resistance value in the feedback circuit of the transimpedance amplifier.

Это напряжение через синхронный детектор 4, задающий интервал интегрирования, поступает на интегратор 5. Интегрирование за время равное половине периода частоты тестового сигнала F0, 1/2F0 дает значение используемое при вычислении амплитуды емкостного тока исследуемой МДП-структуры 2, а при интегрировании за период 1/F0, когда значение интеграла емкостной составляющей тока становится ровным нулю - импедансу. Расчеты производятся электронно-вычислительной машиной 11. Квантование выходных сигналов интегратора 5 осуществляется блоком измерения напряжения 6 выход которого через блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной 10 соединен с электронно-вычислительной машиной 11, которая соединена с блоком сопряжения с электронно-вычислительной машиной 10 двунаправленной линией связи. Электронно-вычислительная машина 11 осуществляет все расчеты, связанные с обработкой и отображением информации, а так же через блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной 10 инициирует связанный с ним блок управления 8, который делает исходные установки и запускает заявляемое устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот.This voltage is supplied to integrator 5 through a synchronous detector 4, which sets the integration interval. Integration over a time equal to half the period of the frequency of the test signal F 0 , 1 / 2F 0 gives the value used to calculate the amplitude of the capacitive current of the investigated MIS structure 2, and during integration period 1 / F 0 , when the value of the integral of the capacitive component of the current becomes equal to zero - impedance. The calculations are performed by the electronic computer 11. The output signals of the integrator 5 are quantized by the voltage measuring unit 6, the output of which through the interface unit with the electronic computer 10 is connected to the electronic computer 11, which is connected to the interface unit with the electronic computer 10 by a bi-directional line communication. The electronic computer 11 carries out all the calculations associated with the processing and display of information, and also through the interface unit with the electronic computer 10 initiates a control unit 8 connected to it, which makes the initial settings and starts the inventive device for measuring TIR capacitance and conductivity structures in the field of infra-low frequencies.

Точность измерения токов фемтоамперного уровня во многом определяется значением электрических шумов элементов входных цепей измерительного устройства. В заявляемой полезной модели применен трансимпедансный усилитель 13 у которого напряжение приведенного к входу шума определяется выражением:The accuracy of measuring currents of the femtoampere level is largely determined by the value of the electrical noise of the elements of the input circuits of the measuring device. In the claimed utility model, a transimpedance amplifier 13 is used in which the voltage of the noise brought to the input is determined by the expression:

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

где k=1.38×1023 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - температура, К; дfш - полоса пропускания усилителя (Гц); Uш - напряжение шума входного каскада трансимпедансного усилителя; Iш - токовая составляющая входного шума трансимпедансного усилителя; Roc - значение сопротивления в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя.where k = 1.38 × 10 23 J / K is the Boltzmann constant; T is the temperature, K; df w - the passband of the amplifier (Hz); U W - noise voltage of the input stage of the transimpedance amplifier; I W - current component of the input noise of the transimpedance amplifier; R oc is the resistance value in the feedback circuit of the transimpedance amplifier.

Из приведенного выражения следует, что для уменьшения уровня тока шума, приведенного к входу трансимпедансного усилителя 13, требуется выбирать максимально возможное значение Roc. В этом случае уменьшается влияние как теплового шума, так и напряжение шума входного каскада. В заявляемой полезной модели сопротивление в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя 13 определяется значением измеряемых токов и составляет 10-100 ГОм, в зависимости от выбранного диапазона измерения, что обеспечивает минимально возможный уровень шума по сравнению с другими способами включения усилителей. Совместно с последующей фильтрацией шумов в интеграторе 5 коррекцией входного тока и токов утечки, это обеспечивают абсолютную погрешность измерения токов менее 1 фА.From the above expression it follows that to reduce the level of noise current reduced to the input of the transimpedance amplifier 13, it is required to choose the maximum possible value of R oc . In this case, the influence of both thermal noise and the noise voltage of the input stage are reduced. In the claimed utility model, the resistance in the feedback circuit of the transimpedance amplifier 13 is determined by the value of the measured currents and is 10-100 GΩ, depending on the selected measurement range, which provides the lowest possible noise level compared to other ways of switching on amplifiers. Together with the subsequent noise filtering in the integrator 5, correction of the input current and leakage currents, this provides an absolute error of current measurement of less than 1 fA.

В заявляемой полезной модели одновременно используются процедуры периодической коррекции, синхронного детектирования и фильтрации (интегрирования за период частоты тестового сигнала), позволяющие достичь требуемого результата.In the claimed utility model, the procedures of periodic correction, synchronous detection and filtering (integration over a period of the frequency of the test signal) are simultaneously used to achieve the desired result.

Claims (4)

1. Устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот, содержащее исследуемую МДП-структуру, генератор тестового сигнала и напряжения смещения, блок измерения напряжения, блок обработки и отображения информации, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит измерительную головку, включающую входной ключ, трансимпедансный усилитель, токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя, далее синхронный детектор, интегратор, цифроаналоговый преобразователь, блок управления, при этом исследуемая МДП-структура установлена между выходом генератора тестового сигнала и напряжения смещения и входом измерительной головки, первый выход которой соединен с синхронным детектором, выход которого подключен к входу интегратора, выход интегратора подключен к входу блока измерения напряжения, выход которого подключен к блоку обработки и отображения информации, первый выход которого подключен к входу блока управления, второй выход к входу цифроаналогового преобразователя, который, в свою очередь, подключен ко второму входу измерительной головки, причем выходы блока управления подключены параллельно к входу генератора тестового сигнала и напряжения смещения, к двум входам измерительной головки, к входу синхронного детектора, входу интегратора и входу блока измерения напряжения.1. A device for measuring the capacitance and conductivity of MIS structures in the low-frequency domain, containing the MIS structure under study, a test signal and bias voltage generator, a voltage measuring unit, an information processing and display unit, characterized in that it further comprises a measuring head including input key, transimpedance amplifier, current-sensing resistor in the input current correction circuit of the transimpedance amplifier, then a synchronous detector, integrator, digital-to-analog converter, unit control unit In this case, the MIS structure under study is installed between the output of the test signal generator and bias voltage and the input of the measuring head, the first output of which is connected to a synchronous detector, the output of which is connected to the integrator input, the integrator output is connected to the input of the voltage measuring unit, the output of which is connected to information processing and display unit, the first output of which is connected to the input of the control unit, the second output to the input of the digital-to-analog converter, which, in turn, is connected to the second input of the measuring head, and the outputs of the control unit are connected in parallel to the input of the test signal generator and bias voltage, to two inputs of the measuring head, to the input of the synchronous detector, the input of the integrator, and the input of the voltage measuring unit. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трансимпедансный усилитель содержит в цепи отрицательной обратной связи набор резисторов обратной связи и последовательно соединенных с ними ключей.2. The device according to claim 1, characterized in that the transimpedance amplifier contains in the negative feedback circuit a set of feedback resistors and keys connected in series with them. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительная головка выполнена выносной из конструкции устройства.3. The device according to claim 1, characterized in that the measuring head is made remote from the design of the device. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок обработки и отображения информации выполнен содержащим электронно-вычислительную машину, блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной соединенным с вычислительной машиной двунаправленной линией связи.
Figure 00000001
4. The device according to claim 1, characterized in that the information processing and display unit is made comprising an electronic computer, an interface unit with an electronic computer connected to the computer by a bi-directional communication line.
Figure 00000001
RU2012145357/28U 2012-10-24 2012-10-24 DEVICE FOR MEASURING CAPACITY AND CONDUCTIVITY OF MOSFET STRUCTURES IN THE FIELD OF INFRANIZED FREQUENCIES RU127942U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012145357/28U RU127942U1 (en) 2012-10-24 2012-10-24 DEVICE FOR MEASURING CAPACITY AND CONDUCTIVITY OF MOSFET STRUCTURES IN THE FIELD OF INFRANIZED FREQUENCIES

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012145357/28U RU127942U1 (en) 2012-10-24 2012-10-24 DEVICE FOR MEASURING CAPACITY AND CONDUCTIVITY OF MOSFET STRUCTURES IN THE FIELD OF INFRANIZED FREQUENCIES

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU127942U1 true RU127942U1 (en) 2013-05-10

Family

ID=48803995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012145357/28U RU127942U1 (en) 2012-10-24 2012-10-24 DEVICE FOR MEASURING CAPACITY AND CONDUCTIVITY OF MOSFET STRUCTURES IN THE FIELD OF INFRANIZED FREQUENCIES

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU127942U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100582808C (en) Measurement method of ferroelectric materials electric hysteresis loop wire
Crotti et al. Frequency response of MV voltage transformer under actual waveforms
Overney et al. $ RLC $ bridge based on an automated synchronous sampling system
CN103460058B (en) Method and the equipment of the electromotive force of object is contactlessly determined by two different values of electric current
Malik et al. AN-Z2V: Autonulling-based multimode signal conditioning circuit for RC sensors
CN107449949B (en) Device for applying DC bias voltage to AC sine wave signal source
Giblin et al. Frequency dependence of gas-dielectric capacitors used in sub-nA reference current generators
Nojdelov et al. Capacitive-sensor interface with high accuracy and stability
Kaczmarek et al. Reference voltage divider designed to operate with oscilloscope to enable determination of ratio error and phase displacement frequency characteristics of MV voltage transformers
Kaczmarek Development and application of the differential voltage to single-ended voltage converter to determine the composite error of voltage transformers and dividers for transformation of sinusoidal and distorted voltages
RU127942U1 (en) DEVICE FOR MEASURING CAPACITY AND CONDUCTIVITY OF MOSFET STRUCTURES IN THE FIELD OF INFRANIZED FREQUENCIES
Aristoy et al. Measuring system for calibrating high voltage instrument transformers at distorted waveforms
CN106199285B (en) Capacitance characteristic measuring equipment and method under any alternating current carrier
Ehtesham et al. Development of an automated precision direct current source for generation of pa currents based on capacitance charging method at csir-npl
CN109374978A (en) A kind of cable dielectric loss improvement measuring circuit and method based on bridge method
Crotti et al. Frequency calibration of voltage transformers by digital capacitance bridge
RU150413U1 (en) ADDITION TO DIGITAL VOLTMETER FOR MEASURING CURRENT FEMTOAMPER RANGE
CN106483385B (en) A kind of dielectric loss measurement system and measurement method based on punching mutual inductor
Meisner et al. Generation and measurement of AC ripple at high direct voltage
Callegaro et al. Generation of reference DC currents at 1 nA level with the capacitance-charging method
CN216248297U (en) Broadband voltage sensor measurement performance calibration device
CN106645982A (en) Measuring method for alternating current dielectric property of nonlinear insulating dielectric
Reynolds et al. DC insulation analysis: A new and better method
Mohns et al. A current clamp based high voltage monitoring system
RU2647564C1 (en) Method of measuring electric capacity