CC BY
55
Новиков С. А. Чайковский В.М.
Измеритель зарядовой нестабильности МДП структур с использованием микроконтроллера
Традиционный подход к измерению гистерезиса и зарядовой нестабильности МДП структур [1,2] обладает низкой точностью, особенно при малых скоростях изменения напряжения смещения, вызванного необходимостью длительное время хранить в аналоговом виде напряжение смещения, при значениях которого измеряемый параметр структуры достигает ранее заданного уровня.
Измерение значений параметров МДП структуры сводятся к фиксации ее C-V зависимостей, получаемых как при прямом направлении изменения напряжения смещения, так и при обратном. Проявляющийся при этом гистерезис МДП структуры, вызываемый появлением у нее встроенного заряда, определяется ее поляризационными свойствами, наличие которых приводит к тому, что при длительном воздействии на МДП структуру постоянным напряжением происходит их усиление. Это приводит как к изменению формы, так и к сдвигу вдоль оси напряжения смещения фиксируемых C-V зависимостей, последнее явление называется зарядовой нестабильностью.[2]
Использование медленно изменяющегося напряжения смещения позволяет вовлечь в процесс перезаряда МДП структуры глубинные состояния, а также позволяет полностью отстроиться от гистерезиса устройства обработки, тем самым измерить "чистый" гистерезис МДП структуры.
С целью повышения точности измерения гистерезиса предлагается операции запоминания и хранения упомянутых аналоговых величин в виде напряжения смещения заменить операцией хранения кодов, пропорциональных значениям этих напряжений.[3] Последнее достигается использованием микроконтроллера МК.
Работу измерителя поясняют блок-схемы алгоритмов на рис. 1. При измерении зарядовой нестабильности (рис. 1а) к исследуемой МДП структуре прикладывается напряжение смещения от источника напряжения. Далее выходное напряжение измерительного преобразователя ИП, пропорциональное емкости структуры поступает на вход МК, который и осуществляет оценку гистерезиса структуры и ее зарядовой нестабильности. Причем последнее необходимо проводить таким образом, чтобы выходное напряжение ИП, определяемое входным воздействием, пропорциональное емкости структуры, было синхронно с воздействующим на структуру напряжением смещения. Соблюдение данного требования достигается путем использования опорного напряжения с выхода ЦАП МК (ножка 32 элемента U1) из которого в дальнейшем формируется напряжение смещения, изменяющееся в требуемом диапазоне.
Оценка направления хода изменения напряжения смещения (прямое -обратное) осуществляется путем сравнения текущего значения напряжения смещения с предыдущим. Положительный результат сравнения будет соответствовать прямому ходу изменения, а отрицательный - обратному. При смене прямого хода на обратный, когда напряжение смещения достигнет своего максимального значения, которое вводит структуру в состояние обогащения, при котором емкость всей структуры определяется только емкостью ее
диэлектрического слоя, устанавливается уровень, на котором оценивается у МДП структуры ее гистерезис и зарядовая нестабильность. Он может быть выбран 0,9; 0,7; 0,5 относительно значения указанной емкости, путем нажатия
соответствующей кнопки (2,3,4).
Далее, на этом уровне, фиксируются соответствующие ему напряжения смещения, прямого хода, и обратного, а гистерезис структуры находится как разность между данными значениями напряжения.
Для определения зарядовой нестабильности структуры (рис. 1б),
источник напряжения смещения переводится в режим длительной выдачи постоянного напряжения, под действием которого происходит перезаряд глубинных поверхностных состояний структуры, приводящих к сдвигу по оси напряжения смещения его C-V характеристик. Этот режим включается нажатием кнопки 5. При этом МК запоминает исходные значения напряжения смещения на заданном уровне, относительно которых измеряется зарядовая нестабильность структуры. «Снятие» постоянного напряжения осуществляется повторным нажатием кнопки 5. Нажатием кнопки «Пуск» - 1, источник напряжения смещения запускается в режим выдачи изменяющегося напряжение смещения. Фиксируются новые значения напряжения смещения на ранее заданном уровне при прямом и обратном направлении его изменения.
Зарядовую нестабильность МК оценивает как разность между запомненными исходным и текущим значениями напряжения смещения, отнесенным к начальному значению. Эта операция осуществляется как при прямом, так и при обратном ходе изменения напряжения смещения.
В итоге, гистерезис и зарядовая нестабильность измеряются периодически каждый раз при совершении напряжением смещения полного цикла (прямой-обратный ход).
Схема, реализующая выполнение описанного алгоритма (рис. 1) собрана на базе МК C8051F007 , выбранного из целого ряда аналогичных в ходе сравнительного анализа их характеристик, таких как объем памяти, многоразрядность, наличие у него АЦП и ЦАП.
Последнее позволяет обеспечить ранее упомянутое требование синхронизации путем использования ЦАП для выработки опорного однополярного напряжения, изменяющегося в диапазоне от 0 до +2,4В. Это напряжение затем преобразуется в двухполярное напряжение смещения при помощи DA1.3, реализованного на базе ОУ, охваченного обратной связью при помощи резистора R6, с подключенным к неинвертирующему входу источником опорного напряжения 2,4В на стабилитроне VD1 типа КС415А. Данное решение позволяет преобразовать однополярное напряжение в двухполярное, путем смещения его относительно нуля на -2,4В.
Получаемое на выходе DA1.3 двухполярное напряжение смещения, изменяющееся в диапазоне от -2,4 до +2,4В при помощи DA1.4 масштабируется для увеличения размаха его изменения и начинает изменяться уже в пределах от -14 до +14В. Оно прикладывается к МДП структуре для изменения ее энергетического состояния путем плавного перевода его из режима инверсии в режим обогащения.
Этапу начала измерения предшествует этап программирования МК путем «прошивки» его программатором, подключаемым к выводам 13-16, которые выводы в дальнейшем могут быть использованы для внесения изменений в программу измерения.
С выхода ИП, реализованного аналогично [5], на АЦП МК (ножка 4 элемента U1) подается напряжение, пропорциональное емкости МДП структуры. Для защиты входа АЦП от перегрузки последним, служит инвертирующий масштабатор с регулируемым коэффициентом передачи путем ручного изменения значения сопротивления R2. Все элементы DA1 реализованы на операционном усилителе КД544УД14.
Кнопки 2,3,4 служат соответственно для установки уровня оценки гистерезиса структуры (0,5;0,7;0,9) относительно значения емкости диэлектрического слоя, 5 - для перевода источника смещения в режим выдачи постоянного напряжения, 6,7 - для выбора длительности периода повторения изменяющегося напряжения смещения в двоичном коде, путем набора необходимых комбинаций нажатием кнопок (00 - 1мин., 01 - 15 мин., 10 - 30 мин.)
К ножкам 10, 11 МК подключен кварцевый резонатор BQ1 HC-49US на 4МГЦ для частотной стабилизации его внутреннего генератора.
Выводы 13-16 контроллера должны оставаться свободными для подключения к ним программатора.
Сигнал с выхода микроконтроллера, пропорциональный гистерезису и зарядовой нестабильности, как результат измерений отображается
семисегментным индикатором HG1 ИЖКЦ1, работающим совместно с счетчиком-дешифратором DD1 КР1580ХМ3.
Предложенная схемотехническая реализация может быть использована и для исследования структур с толстым слоем диэлектрика, требующим организации изменения напряжения смещения в большем диапазоне, для чего необходимо сделать DA1.4 более высоковольтным, например, используя операционный усилитель OPA454.
МДП структура, гистерезис, зарядовая нестабильность, поверхностные состояния, встроенный заряд, напряжение смещения, цикл измерения, микроконтроллер, вольт-фарадные характеристики, вычисление
Metal insulator semiconductor (MIS) structure hysteresis, charge instability, superficial states, built-in charge, bias voltage, measurement cycle, microcontroller, Capacitance-Voltage characteristics, calculation
Литература:
1. Чайковский В.М. «Измерение параметров МДП структур с
компенсацией влияния емкости диэлектрика» диссертация
2. Гуртов В.А., «Твердотельная электроника» Москва, 2005 г.
3. Захаров А.Г. Богданов С.А. Набоков Г.М. «Определение свойств структур твердотельной электроники методами емкостных характеристик» -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 108 с.
4. Меньшикова Т.Г., Бормонтов А.Е. «Флуктуационная модель вольт-фарадной характеристики МДП-структуры» Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 9
5. Чайковский В.М. Измерение параметров МДП структуры с
компенсацией влияния емкости диэлектрика // Приборы и техника эксперимента. - 1987. - N 3. - С. 187 - 189.
