181136. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés félvezető elemek tranziens kapacitásváltozásának mérésére
3 181136 4 A mérés feladata a záróirányú impulzusok tartama alatt bekövetkező kis kapacitásváltozás meghatározása. Az ismert mérőberendezésnél a mérőkor kimeneti feszültségét erősítés után fázisérzékeny egyenirányítóval (lock-in) egyenirányítják, amely a kapacitív jelkomponenssel arányos impulzusszerű lüktető feszültséget ad. Az így kapott feszültséget egy további, a mérési periódus kezdetére szinkronizált alacsony üzemi frekvenciájú lock-in erősítő bemenetére vezetik, és a második lock-in erősítő a jelből kiválasztja azt az impulzusfrekvenciájú komponenst, amelynek frekvenciája megegyezik a mérési periódus frekvenciájával. A DLTS eljárás végzése során a mérendő dióda hőmérsékletét, és egyéb fizikai paramétereit változtatják, és ez a változtatás a diódára kapcsolt impulzusok frekvenciájánál sokkal lassabban történik. A félvezető dióda milyenségére jellemző információt a záróirányú periódusok alatt nyert kapacitásváltozás értékeknek a regisztrált sorozata hordozza. E röviden vázolt és elterjedten alkalmazott elrendezés több hátránnyal rendelkezik. A gerjesztő impulzus bevitele körülményes, a megadott elrendezés szerint az impulzus transzformátor szórt kapacitása és soros impedanciája különösképpen akkor, ha a konduktív veszteségek nagyok, a valós minta paraméterektől eltérő értékeket adhat. Tág határok között változó impulzusszélességet - erre a többségi töltéshordozók befogási keresztmetszetének mérésénél van szükség - alakhűen csak több transzformátoron lehet átvinni. A mérőerősítő megkapja az egész gerjesztő jelet, ezért a nagymértékű túlvezérlésből viszonylag lassan éled fel, hosszú lesz a kapacitásmérő holt ideje, azaz az exponenciálisan csökkenő kapacitás jel éle utáni közvetlen szakasz elveszik, és az ideálishoz képest erősen lecsökkenteti jel/zaj viszonyt eredményez. Ha a megszokott módon, az impulzus ismétlődési idejének indításához vagy lefutásához rögzítik az alacsonyfrekvenciás lock-in referencia jelének indítását, az impulzus szélességének és ismétlődési idejének változtatásakor különböző hosszúságú lesz a holt idő, ez valótlan aktivációs energia meghatározást eredményez (D. S. Day et al., J. Appl. Phys. 50/8, 5093/1979). Nagy érzékenység hosszú idejű átlagolással érhető el, ezt általában az alacsonyfrekvenciás lock-in integráló időállandója határozza meg. Nagy rádiófrekvenciás erősítésnél a nagyfrekvenciás fázisérzékeny egyenirányító - amelynek időállandója csak kicsi lehet a gyors tranziensek átvitele érdekében - túlvezérelheti az alcsonyfrekvenciás lock-in fokozatot, amely nagy időállandója miatt túlvezérlésből nagyon nehezen éled fel. Ennek elkerülése végett ezért sem a rádiófrekvenciás, sem az alacsonyfrekvenciás erősítés nem lehet túlságosan nagy, azaz nem fokozható a kívánt mértékig a kapacitásmérés érzékenysége. A találmány elsődleges célja a DLTS eljárás olyan továbbfejlesztése, amelynél a különböző impulzusjelekkel végzett mérések egyértelműen összevethetők. A találmány célja ezenkívül olyan berendezés létrehozása a DLTS eljárás végzésére, amelynél az impulzustranszformátorok alkalmazásából származó korlátok nem jelentkeznek, és ahol az impulzustartam alatt a mérőkör után levő fokozatok túlvezérlését elkerülhetjük. A találmány- első felismerése szerint a különböző impulzusismétlődési idővel végzett mérések akkor összevethetők, ha a mérési periódusokat az impulzustartam befejeződési időpontja után az impulzusokhoz viszonyítva állandó fázishelyzetben indítjuk. Ez lényegében azt jelenti, hogy a holt idő az impulzusok periódus idejének egy állandó tört részét képezi. A találmány szerinti berendezésnél az impulzustranszformátorok alkalmazása helyett az impulzusokat vezérlőegységgel meghajtott vezérelt kapcsolókon keresztül vezetjük a mérendő diódára. A mérőkört követő erősítő bemenetét az impulzustartamra rövidre zárjuk és ezzel a túlvezérlést megakadályozzuk. A lock-in erősítőnek a védelmére és a mérőjelnek az impulzustartam alatti pótlására a (nagyfrekvenciás) fázisérzékeny egyenirányító kimenete és az alacsony frekvenciás lock-in erősítő bemenete közé vezérelt kapcsolókon keresztül track-and-hold típusú integrátor bemenetű erősítőt kapcsolunk, és a mérőjeleket csak a mérési periódusban engedjük közvetlenül a lock-in erősítő bemenetére. A mérési periódusok között a kapuzott integráló erősítőről rekonstruált mérőjelet küldünk a lock-in erősítő bemehet éré, amelynek feszültsége a mérőjelnek a mérési periódus utolsó szakaszában felvett átlagos értékének felel meg. A találmányt a továbbiakban kiviteli példák kapcsán, a rajz alapján ismertetjük részletesebben. A rajzon az 1. ábra a találmány szerinti berendezés egy kiviteli alakjának tömbvázlata, a 2. ábra az 1. ábrán vázolt 32 vezérlőegység részletesebb tömbvázlata, és a 3. ábra az 1. és 2. ábrák jellegzetes pontjain mérhető feszültségek idődiagramja. Az 1, ábrán a találmány szerinti kapacitásváltozást mérő berendezés funkcionális tömbvázlatát tüntettük fel. A rajzon vázolt 10 nagyfrekvenciás generátor állandó amplitúdójú és frekvenciájú szinuszos jeleket állít elő. A nagyfrekvenciás jelek frekvenciája jellegzetesen 1 MHz értékű, de a mérési feladatoktól függően mintegy 1-30 MHz között szabadon megválasztható. A 10 nagyfrekvenciás generátor kimenete 11 nagyfrekvenciás transzformátoron keresztül 12 mérőkörre csatlakozik. A 12 mérőkör a vizsgálandó félvezető átmenetet reprezentáló 13 diódából és változtatható kapacitású 14 kiegyenlítő kondenzátorból áll. A 11 nagyfrekvenciás transzformátor szimmetrikus szekunder tekerccsel rendelkezik, amelynek két vége a 12 mérőkörhöz, középkivezetése pedig 15 vezérelt kapcsolón keresztül annak állapotától függően í6 vagy 17 egyenfeszültségforráshoz csatlakozik. A 16 és 17 egyenfeszültségforrások feszültségét a mérés köve5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
