Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы исследования полупроводниковых структур и автоматизация измерений 16
1.1. Производство имс и этапы контроля электрических параметров 19
1.2. Этапы автоматизации измерения электрических величин
1.2.1. Автоматизация без использования ЭВМ 22
1.2.2. Автоматизация с использованием ЭВМ для обработки информации 26
1.2.3. Автоматизация с использованием ЭВМ для управления и обработки информации 28
1.2.4. Цифровые интерфейсы ввода/вывода
1.2.4.1. Интерфейсы КАМАК, МУЛЬТИБАС, ФАСТБАС 32
1.2.4.2. Современные интерфейсы ввода/вывода (ISA, PCI, USB) 34
1.2.5. Автоматизация измерений на базе программного пакета LabVIEW 36
1.3. Электрические методы исследования свойств полупроводниковых структур 38
1.3.1. Метод вольт - амперных характеристик 3 9
1.3.2. Методы вольт-фарадных характеристик 41
1.3.3. Метод вольт - сименсных характеристик 43
1.3.4. Метод фото ЭДС 44
1.3.5. Метод нестационарной спектроскопии глубоких уровней 45
1.3.6. Метод релаксационной оптоэлектронной спектроскопии глубоких уровней 46
Выводы по главе 1 47
ГЛАВА 2. Техническая реализация методов для автоматизации исследования МДП-структур
2.1. Метод измерения тока, протекающего через полупроводниковую структуру 50
2.2. Методы измерения емкости полупроводниковой струтуры
2.2.1. Мостовые схемы 52
2.2.2. Схемы делителей напряжения 54
2.2.3. Схема дифференциатора
2.2.3.1. Теоретическое рассмотрение 60
2.2.3.2. Экспериментальное исследование схемы 61
2.2.3.3. Оценка случайной погрешности метода 66
2.3. Методы измерения разности фаз 67
2.3.1. Безынерционные методы 68
2.3.1.1. Метод линейной развертки 6 8
2.3.1.2. Метод круговой развертки 68
2.3.1.3. Метод фигур Лиссажу 69
2.3.2. Инерционные методы 70
2.3.2.1. Фазовый детектор 70
2.3.2.2. Метод электронного реле 70
2.3.2.3. Метод трех амплитуд 71
2.4. Выбор схемы для автоматизации измерения ВФХ 74
2.4.1. Анализ методики измерения 76
2.4.1.1. Определение параметров схемы замещения 77
2.4.1.2. Определение составляющих импеданса 78
2.4.2. Схема подачи напряжения 81
2.5. Методы измерения фэдс полупроводниковой струтуры 83
Выводы по главе 2 86
Глава 3. Разработанные приборы для автоматизированного измерения параметров МДП структур 88
3.1. Автоматизированный измеритель «ВФХ - 1» 88
3.1.1. Блок преобразования емкости в напряжение 90
3.1.2. Блок аналога - цифрового преобразования 92
3.1.3. Блок цифро - аналогового преобразования 93
3.1.4. Блок ввода/вывода 93
3.1.5. Программа автоматизированного управления «ВФХ - 1» 96
3.1.6. Технические характеристики «ВФХ-1» 98
3.2. Автоматизированный измеритель «ВФХ - 2» 98
3.2.1. Блок преобразования емкости в напряжение 99
3.2.2. Блок ввода/вывода 101
3.2.3. Программа управления экспериментом 104
3.2.4. Технические характеристики «ВФХ-2» 106
3.3. Автоматизированный измерительный комплекс «метроном» 106
3.3.1. Структурная схема автоматизированного комплекса 107
3.3.2. Схема блока преобразования параметров
3.3.2.1. Генератор тестового сигнала 108
3.3.2.2. Модуль автоматизированного измерения ВФХ 110
3.3.2.3. Модуль автоматизированного измерения ВАХ 111
3.3.2.4. Модуль автоматизированного измерения ФЭДС 112
3.3.2.5. Модуль коммутации аналогового сигнала 113
3.3.2.6. Меры повышения точности измерений
3.3.3. Цифровой блок 115
3.3.4. Программное обеспечение комплекса
3.3.4.1. Функции WinAPI для управления комплексом 117
3.3.4.2. Многопоточность 118
3.3.4.3. Пользовательский интерфейс 118
3.3.5. Технические характеристики автоматизированного измерительного комплекса «М ЕТРОНОМ» 120
3.4. Сравнение характеристик разработанного автоматизированного измерительного комплекса «метроном» с аналогами 121
Выводы по главе 3 124
ГЛАВА4. Измерения на разработанных автоматизированных приборах 125
4.1. Измерения на автоматизированном измерителе «вфх - 2» 125
4.2. Измерения на автоматизированном копмлексе «метроном» 127
4.2.1. Измерение ВАХ полупроводниковых структур 127
4.2.1.1. Измерение ВАХ р-n переходов 128
4.2.1.2. Измерение ВАХ кремниевых МДП-структур 128
4.2.1.3. Измерение ВАХ пробитых кремниевых МДП-структур
4.2.2. Обсуждение результатов измерений 130
4.2.3. Измерение ВФХ полупроводниковых структур
4.2.3.1. Измерение ВФХ кремниевых МДП-структур 130
4.2.3.2. Влияние поляризации МДП - структур на их параметры 132
4.2.3.3. Влияние засветки МДП - структур на их параметры 134
4.2.3.4. Комбинированное воздействие
4.2.4. Обсуждение результатов 138
4.2.5. Автоматический расчет параметров по методу Термана
4.2.5.1. Метод Термана 139
4.2.5.2. Расчет теоретической высокочастотной ВФХ 140
4.2.5.3. Описание программы расчета спектра плотности поверхностных состяний
4.2.6. Обсуждение результатов 147
4.2.7. Результаты измерения спектра ППС МДП-структур 148
4.2.8. Обсуждение результатов измерений 152
4.2.9. Измерение ФЭДС МДП-структур и фотодиодов 152
4.2.9.1. Полевые зависимости ФЭДС кремниевых структур 153
4.2.9.2. Частотные зависимости ФЭДС кремниевых МДП-структур 157
4.2.9.3. ФЭДС в поляризованных МДП-структурах 158
4.2.10. Обсуждение результатов измерения 161
4.3. Физическая модель исследуемой мдп-структуры в составе полевого транзистора 162
Выводы по главе 4 168
Заключение 171
Список использованной литературы
- Автоматизация с использованием ЭВМ для управления и обработки информации
- Выбор схемы для автоматизации измерения ВФХ
- Блок цифро - аналогового преобразования
- Описание программы расчета спектра плотности поверхностных состяний
Введение к работе
Актуальность темы. Современные устройства микро- и оптоэлектроники характеризуются большим количеством используемых в них базовых элементов, а так же возрастающей сложностью функциональных связей, как между отдельными элементами устройства, так и их отдельными блоками К тому же при уменьшении линейных размеров полупроводниковых приборов сказывается квантовая природа электронов, которая не влияла на работу устройств предыдущего поколения Для определения параметров изготавливаемых устройств на узловых этапах технологической линии по их производству необходимо контролировать большое количество электрических параметров и характеристик, определяющих эксплуатационные свойства изделия с целью выявления дефектообразующих технологических операций
Для осуществления метрологического контроля поточного
производства полупроводниковой продукции предполагается создание
высокопроизводительного измерительного оборудования, способного
контролировать весь набор базовых параметров изготавливаемого
устройства (проводимость, концентрация активных носителей заряда,
электрические дефекты и т д ) Данное оборудование, кроме высокой
скорости измерения должно имеїь высокие метрологические
показатели В связи с этим, метрологический процесс немыслим без
применения автоматизации контроля и испытаний с использованием
средств вычислительной техники, где в качестве базовой основы
необходимо использовать высокопроизводительные ЭВМ и
устройство сопряжения метрологического прибора с ней ЭВМ должна
реапизовывать не только функцию управления, но и функции
вычисления и обработки полученной информации, что также
немаловажно при больших объемах данных Создание на научной
основе автоматизированных систем управления технологическими
процессами, их последовательная увязка по иерархическим уровням и
интеграция в единую систему сбора, обработки данных и
оперативного управления повышает эффективность всех звеньев
производства Кроме этого применение автоматизации в производстве
и изучении полупроводниковых приборов определяет
производительность труда, а также позволяет изучать быстропротекающие процессы и явления, требующие особых условий для наблюдения, реапизовывать процессы, где необходимо выполнение большого количества однотипных действий
Таким образом, разработка автоматизированных систем научных исследований для метрологического контроля, измерения характеристик объекта исследования есть неизбежное следствие развития науки и технического прогресса
Можно выделить следующие функции автоматизации уменьшение или полное исключение участия человека в измерительных действиях и сценарии эксперимента, уменьшение времени процесса, повышение производительности, повышение надежности, точности, фиксирование быстропротекающих процессов, повышение экономической эффективности, а также возможно получение первичной информации в реальном времени о ходе процесса в наглядной форме
Анализ литературных данных показал, что российская промышленность не производит автоматизированных комплексов для исследования свойств полупроводниковых приборов Среди предложений зарубежных производителей интерес представляют решения от фирм N1, KEITHLEY Аппаратные и программные ресурсы предлагаемых решений достаточно мощные, но в применении к поставленной задаче имеют несколько недостатков применяемые в них модули лишены устройств, которые взаимодействуют непосредственно с объектом исследования, неремонтопригодны, имеют высокую стоимость и не имеют программного и аппаратного сопровождения Пакет аппаратных и программных средств LabView от фирмы «National Instrument», или пакет в системе 4200-SCS от фирмы KEITHLEY обладают широкими возможностями в измерении напряжения (от единиц микровольт), тока (от единиц пикоампер), их отображение, обработку, но лишены непосредственно самих преобразователей, исследуемых физических параметров в электрический сигнал Комплектование такими преобразователями измерительных комплексов потребует дополнительных затрат на доработку В итоге за счет соединительных связей блока преобразования и самого комплекса в целом измерения могут оказаться не высокой точности Разработка самого блока преобразования исследуемого параметра в электрический сигнал достаточно сложная задача, так как необходима реализация таких высокоточных измерителей, как измеритель емкости, фазового сдвига, а так же квадратичного детектирования и др Разработка каждого из указанных элементов имеет множество трудностей связанных с шумами, стабильностью схемы и линейностью преобразователя, а также точностью
Известны разработки измерительных комплексов, которые
кроме схем измерения электрических параметров имеют указанные
выше схемы измерения и преобразования величин исследуемого
полупроводникового прибора Такие комплексы собраны в едином
корпусе и содержат указанные схемы, но, как правило, обладают
невысокими метрологическими возможностями и ограниченной
функциональностью Поэтому их применение носит ограниченный
характер Комплексы, обладающие высокими измерительными
возможностями, достигают это за счет использования высокоточных
измерительных приборов-моноблоков, выпускаемых
промышленностью В результате полученные измерительные комплексы обладают большими габаритными размерами, имеют много внешних соединений и высокую стоимость Поиск новых решений и подходов к измерению параметров полупроводниковых структур с применением автоматизации позволит создать измерительный комплекс, который будет лишен указанных выше недостатков
Таким образом, разработка автоматизированных методов
исследования полупроводниковых структур, а также
автоматизированных комплексов является актуальной В связи с этим,
необходимы научные и технические исследования, разработки,
модели, предназначенные для автоматизации и интеллектуальной
поддержки процессов управления автоматизированным
измерительным комплексом, в котором реализованы
взаимодополняющие друг друга базовые измерительные методики, сочетающие широкие метрологические возможности с широким диапазоном измеряемых характеристик и параметров, а также возможность обработки результатов измерений современными программными и вычислительными средствами
Цель диссертационной работы является автоматизация измерения
параметров полупроводниковых приборов при их изготовлении,
обработка и отображение результатов измерения с использованием
современных программных средств и создание автоматизированного
аппаратно-программного комплекса, сочетающего возможность
измерения набора электрических параметров и характеристик
исследуемого объекта по адаптированным и взаимодополняющим друг
друга измерительным методикам с высокой точностью измерения
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи
Выбор базовых измерительных методик, позволяющих
получить максимальный объем информации об исследуемом полупроводниковом приборе
Разработка и модернизация методологических и аппаратных средств по реализации этих методик, взаимодополняемых и технически сопрягаемых
Разработка и изготовление автоматизированного аппаратно-программного комплекса, реализующего выбранные методики исследования полупроводниковых приборов в автоматизированном режиме
Составление алгоритмов и программ, реализующих функции управления комплексом и обработки результатов измерения
Проведение натурных испытаний комплекса на реальных объектах с целью выяснения его возможностей
Научные положения, выносимые на защиту
Разработан способ для автоматизированного построения высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВФХ) МДП-структур, по сравнению с существующими, данный метод имеет высокую скорость измерения и линейную зависимость выходного напряжения от величины измеряемой емкости
Предложен способ автоматизированного измерения вольт-сименсных характеристик (ВСХ) с применением нового способа измерения ВФХ и схемы измерения разности фаз двух синусоидальных сигналов методом «трех амплитуд»
Разработан автомагизированный многофункциональный аппаратно-программный комплекс для определения параметров МДП-структур с применением разработанных способов Комплекс позволяет определять вольт-амперные характеристии (ВАХ), вольт-фарадные характеристии, фотоэдс (ФЭДС) и получать базовые электрические параметры и характеристики полупроводникового прибора
Разработаны алгоритм и программа автоматизированного расчета характеристик МДП-структуры, а также спектра плотности поверхностных состояний (ГШС), позволяющая быстро производить оценку параметров структуры, исследовать электрофизические и фотоэлектрические свойства МДП-структуры и на их основе предлагать физическую модель исследуемого объекта Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и опубликованы в трудах. Всероссийской научно-практической конференции ТУСУР НИИ АЭМ (Томск 2003), Международной конференции АПЭП (Новосибирск, 2004), Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (Томск, 2005), Всероссийской НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов (2006, 2007, Томск), 7-ой Международной сибирской школы семинара по электронным
приборам и материалам EDM-2006 (ШЕЕ) (Алтай, 2006), Известия Томского политехнического университета (Томск, 2006), Четвертая международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления Опыт инновационного развития» (Томск, 2007) Научная новизна
Предложен способ для измерения емкости синусоидальным тестовым сигналом с низкой амплитудой (< 25 мВ) и частотой 1 МГц или выше Способ позволяет, в отличие от распространенных способов на основе схем емкостных делителей и мостовых схем, использовать измеряемую емкость в виде активного элемента усилительного тракта, тем самых уменьшить погрешность измерения (0 75 %) и снизить воздействие внешних электромагнитных наводок
Установлены теоретические зависимости влияния диэлектрического слоя МДП-структуры с высоким активным сопротивлением на результат измерения предложенным способом измерения емкости Доработана схема измерения разности фаз методом «трех амплитуд», для применения в автоматизации измерений вольт-сименсных характеристик МДП-структур
Модернизированная схема измерения разности фаз между двумя синусоидальными сигналами методом «трех амплитуд» позволяет автоматизировать измерение разности фаз между сигналами синусоидальной формы, высокой частоты (1 МГц или выше) с низким временем измерения (ед мкс) Совместное применение метода «трех амплитуд» и предложенного способа измерения емкости позволяет выделить из импеданса МДП-структуры активную и реактивную составляющие, что позволяет точнее определять значение емкости при измерении вольт-фарадных характеристик
Разработан аппаратно-программный комплекс, позволяющий, в отличие от аналогов, в едином измерительном цикле проводить исследование полупроводниковых приборов методами вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик, фотоэдс Комплекс реализует предложенный способ измерения вольт-фарадных характеристик, имеет низкую погрешность, высокую скорость измерения и небольшие размеры
Достоверность результатов работы обеспечена использованием современной аналоговой и цифровой схемотехнике, диагностическими измерительными приборами, схемотехническими подходами, понижающими влияние шумов и наводок, применением адекватных физических методик расчета характеристик, математических алгоритмов (численных методов) и непротиворечивостью полученных
результатов и выводов с теоретическими выводами Подтверждена практическим применением разработанного автоматизированного комплекса с применением в качестве объекта исследования МДП-структур, р-n переходов Практическая ценность
Создан универсальный аппаратно-программный комплекс, обладающий высокими метрологическими возможностями Разработанный автоматизированный аппаратно-программный комплекс является универсальным устройством, которое способно определять физические характеристики МДП-структур с применением нескольких методик в едином цикле измерения
Разработан алгоритм и программа по расчету спектра ІШС по методу Термана Алгоритм программы основан на анализе физических моделей МДП-структуры и различных теорий расчета идеальной ВФХ Использование программы позволяет в режиме «on-line» получить основные параметры структуры и спектр ППС, тем самым уменьшить время исследования
Результаты разработки внедрены в научно исследовательскую работу и в учебный процесс на кафедрах физическая электроника (ФЭ) и электронные приборы (ЭП) ТУСУРа
Использование разработанного автоматизированного аппаратно-программного комплекса и ЭВМ в качестве устройства сбора, обработки данных позволяет повысить точность проводимых измерений и точность обработки данных
Личный вклад автора заключается в постановке задач разработки, исследования и получения всех экспериментальных результатов, их обработке, обсуждений, формулировке моделей и механизмов процессов, создание измерительных устройств и разработке технологических алгоритмов для проведения процессов измерения Основные результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично
Рекомендации по использованию результатов. Рекомендуется для использования в технологических процессах по производству изделий электронной техники на предприятиях (в том числе г Томска — ФГ^ШІЖИПП», НПФ«Микран»), в научных целях для исследования электрофизических свойств МДП-структур в учебных целях при изучении курсов микроэлектроника, твердотельная электроника Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликовано 14 работ, том числе 3 в центральных отечественных изданиях рекомендованных ВАК, получен один патент Российской Федерации на изобретение
Структура диссертации. Диссертация написана на 206 страницах, собственный текст диссертации на 140 страницах машинописного текста, содержит 83 иллюстрации, список цитируемой литературы из 138 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения
Автоматизация с использованием ЭВМ для управления и обработки информации
Совершенствование технических средств, применяемых в связи, в системах автоматического управления и обработке информации и многих других направлениях деятельности человека приводит к необходимости создания и совершенствования систем, способных регистрировать слабые электромагнитные и электрические сигналы, выполнять различные преобразования зарегистрированной информации в реальном времени, и при этом иметь малые габариты и низкое энергопотребление. В решении этих проблем наиболее существенные результаты достигнуты при использовании твердотельных элементов, изготовленных на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) [1-8]. Благодаря возможности интегрирования МДП-структур в линейки и матрицы, а также их технологической совместимости с приборами с зарядовой связью (ПЗС) на этих структурах созданы современные матричные фотоприёмные устройства видимого диапазона, пространственно-временные модуляторы излучения, преобразователи и усилители изображений, устройства оптической памяти и т.д. [9-17].
Реально получаемые эксплуатационные параметры и характеристики полупроводниковых приборов, как правило, сильно отличаются от теоретически рассчитанных, выполненных с применением известных методик. Причиной этого является то, что во время проведения технологических операций по созданию прибора, а также испытаний и эксплуатации в полупроводнике накапливается большое количество структурных дефектов и их комплексов, часть из которых обладает электрической активностью. Это означает, что при действии электрических полей эти дефекты воздействуют на протекающие в приборе электронные процессы, изменяя их. Указанные дефекты, как правило, ухудшают характеристики приборов. Таким образом, для создания высокотехнологичных микроэлектронных приборов необходимо уметь обнаруживать в его полупроводниковой пластине все типы электрически активных дефектов, уметь их идентифицировать и при необходимости снижать их электрическую активность путем уничтожения, вывода из активной области прибора или структурного преобразования дефекта.
Для оперативного получения сведений о происходящих в структурах изменениях необходима разработка устройств, которые позволяют получать такую информацию. В силу того, что полупроводниковые структуры в определенных условиях приобретают емкостные свойства, многие методы основаны на исследовании этих свойств или переходных процессов, протекающих в областях с емкостными свойствами, при различных внешних воздействиях. К числу таких методов можно отнести: емкостной метод нестационарной спектроскопии глубоких уровней (НСГУ, DLTS (Deep level transient spectroscopy)), метод вольт-фарадных характеристик (ВФХ), метод нестационарной емкости, а так же методы, основанные на оптических свойствах области пространственного заряда и границы раздела полупроводник - диэлектрик.
Наряду с емкостными методами, существуют методы, основанные на токовых и потенциальных характеристиках полупроводниковых структур. К их числу относятся: метод вольт-амперных характеристик (ВАХ), метод ФЭДС (фото ЭДС), токовый DLTS. Такие методы кроме свойств исследуемой полупроводниковой структуры позволяют определять ее добротность.
Общими для этих методов является то, что на исследуемой структуре измеряется падающее на ней напряжение или протекающий через нее ток, в результате возбуждения, то есть все эти методы являются электрическими.
Кроме электрических методов существуют: электронная микроскопия, люминесценция, метод позитроннои аннигиляции, метод селективного травления, электронно-зондовые методы исследования кристаллов. Перечисленные неэлектрические методы, как правило, сложны в реализации и требуют дорогостоящего оборудования и должны применяться в том случае, если требуется глубокая проработка модели, объясняющей электрические свойства полупроводниковой структуры. По этим причинам рассмотрение не электрических методов не приводится.
Современные элементы электроники сложны и их диагностика требует использования автоматизированных измерительных комплексов. Проведение измерений с помощью измерительных методик неизбежно приводит к вопросу о трудоемкости этого процесса, объективности получаемых результатов, скорости обработки экспериментальных данных и их отображения в наглядной форме. В этой связи естественным и единственным выходом из создавшейся ситуации является применение средств вычислительной техники, как для автоматизации собственно процесса измерения, так и процесса обработки и отображения информации. Положительным моментом в этой ситуации является широкое распространение персональных компьютеров различной конфигурации и возможностей, а так же большой набор прикладных программ для обработки результатов измерений.
При выборе средств автоматизации электрических измерений необходимо определится в объеме автоматизируемых операций, что позволит выбрать вид применяемой автоматизации, способ размещения цифровых и аналоговых измерительных плат (в системном блоке персонального компьютера (PC) через шину ISA, PCI или в выносном блоке), количество требуемых цифровых модулей и их параметры [18, 19].
В дополнении к сказанному, современные возможности автоматизированной измерительной техники помогают более широко изучать свойства полупроводниковых структур и позволяют глубже понять природу электронных процессов. Все это обуславливает необходимость в разработке новых методов исследования, которые позволят оперативно изучать свойства полупроводниковых структур.
Выбор схемы для автоматизации измерения ВФХ
Шина ISA (Industrial Standard Architecture) [57] разработана в 1981 году компанией IBM и, использовалась в компьютерах нового поколения IBM PC IT (Industrial Technology) [58]. ISA является синхронной 8-битной шиной, которая имеет 8 линий данных, 20 линий адреса, 6 линий запроса прерываний. Объем адресуемой памяти составлял 1 Мбайт, а производительность 4 Мбайт/с [58].
В 1984 году IBM выпустила новую модель компьютера IBM PC IT с модернизированной шиной ISA (ISA16). ISA16 поддерживает работу новых устройств, а так же устройств, ориентированных на работу в старой шине ISA.
Многое в ISA напоминает стандарт МУЛЬТИБЛС, отличием является то, что в 1994 году компаниями Intel и Microsoft реализовано аппаратно-программная конфигурация устройств на шине (Plug and Play). Эта шина в сочетании с процессорами Intel 286 и современными моделями превосходила потребности среднего пользователя и многих физических экспериментов.
Помимо этого IBM выбрала стратегию не создавать совершенно новую, как это делало все мировое сообщество раньше, а поддерживать и совершенствовать уже изготовленную технику, то есть осуществлять совместимость нового со старым. В результате к концу 80-х годов XX века, ЭВМ класса PC IT/XT, а значит, и шина ISA получила массовое распространение. Такая популярность шины привела к тому, что слоты ISA до сих пор присутствуют в промышленных ЭВМ, а платы ISA до сих пор производятся [59].
PCI (Peripheral Component Interconnect) локальная шина - эта шина соединения периферийных компонентов является основной шиной расширения. Разработкой данной шины занималась специально созданная для этого группа PCI SIG (Special Interest Group), куда вошли компании IBM, Intel и др. Первая версия PCI 1.0 появилась в 1992 году. Сегодня существует версия 2.1., выпущенная в 1998 г. Сначала шина PCI вводилась как приставка к системам с основной шиной ISA, но в дальнейшем она стала центральной и обеспечила связь между устройствами в архитектуре ЭВМ.
Шина является синхронной, поддерживает стандарт Plug and Play. Номинальная частота синхронизации составляет 33 МГц, при необходимости частота может быть повышена до 66 МГц [60]. Номинальная разрядность шины данных - 32 бит, спецификация предусматривает расширение разрядности до 64 бит. При частоте шины 33 МГц теоретическая пропускная способность достигает 132 Мбайт/с для 32 битной версии и 264 Мбайт/с для 64 - битной. При частоте синхронизации 66 МГц -264 и 528 соответственно.
Шина USB (Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина. Первая версия 1.0 была опубликована в начале 1996 года. Осенью 1998 г. вышла версия 1.1, в ней были устранены обнаруженные проблемы первой редакции. Весной 2000 г. опубликована спецификация USB 2.0, в которой предусмотрено 40 кратное повышение пропускной способности шины. Первоначально (в версиях 1.0 и 1.1) шина обеспечивала две скорости передачи информации: полная FS (Full Speed) - 12 Мбит/с и низкая LS (Low Speed) -1.5 Мбит/с. В версии 2.0 определена еще и высокая скорость HS (High Speed) -480 Мбит/с, которая позволяет существенно расширить круг подключаемых устройств к шине [58]. В одной и той же системе могут присутствовать и одновременно работать устройства со всеми тремя скоростями.
Шина USB является хост-центрической: ведущим устройством, которое управляет обменом, является хост-компьютер, а все присоединенные к ней периферийные устройства исключительно ведомые [61].
Таким образом, развитие цифровых интерфейсов ввода/вывода характеризуется развитием устаревших интерфейсов параллельно друг другу без взаимной поддержки, что обрекало их на «вымирание». С распространением ЭВМ класса PC IT/XT большинство разработок в области автоматизации физического эксперимента используют именно эти ЭВМ, что делает самыми распространенными шинами передачи данных шины ISA, PCI, USB, RS232. Из рассмотренных интерфейсов ввода/вывода вытекает следующая стратегия их развития - архитектура ЭВМ переходит от блочно-модульной к сетевой, увеличение скорости передачи данных происходит не за счет увеличения разрядности параллельных шин, а за счет развития последовательных шин. Все чаще используется сетевая хост-центрическая архитектура построения каналов обмена данными между устройствами, когда каждое устройство системы, выполняющее ту или иную функцию, является аппаратно или программно законченным узлом. Все вместе они образуют сеть, где каждому устройству присвоен свой уникальный идентификатор; автоматизация на фоне общего прогресса следует идеям обработки сигнала в цифровом виде, а аналоговый сигнал используется только для связи с исследуемым объектом.
Блок цифро - аналогового преобразования
Для устранения неопределенности отсчета в пределах 2тг кольцевая и балансная схемы часто дополняются спусковой схемой с двумя устойчивыми положениями равновесия, которая запускается фронтами прямоугольных импульсов, сформированных из исходных сигналов. Время пребывания спусковой схемы в одном из состоянии At определяется только разностью фаз Av=ooAt, средний ток импульсов схемы пропорционален А р в пределах 0-360. Этот метод дает точность 1, которая ограничивается разбросом времени срабатывания спусковой схемы. Метод недостаточно точен вблизи 0 или 360, где время между запускающим и останавливающим импульсами сравнимо с разбросом времени срабатывания схемы [97].
Измерения фазового сдвига методом трех амплитуд описан в [97]. Здесь отмечено, что метод обладает высокой точностью измерения, когда амплитуды сигналов, между которыми измеряется фазовый сдвиг, имеют одинаковые значения. При проведении реальных измерений это требование трудно выполнимо. Согласно [97] при таких условиях точность измерения не высокая и данный метод не может быть использован, однако применение современной элементной базы совместно с методами цифровой обработки на ЭВМ позволяет исключить ограничение. В результате этого указанный метод может быть использован.
Метод основан на измерение амплитуд тестового сигнала Uj, сигнала на выходе схемы измерения МДП-структуры ІІ2 и суммы этих сигналов Цз (Рис.2.15). Покажем, как зависит фазовый сдвиг от амплитуды этих сигналов
Таким образом, зная амплитуды всех трех сигналов Uj, U2, Uebix можно определить фазовый сдвиг сигнала U2 относительно U/. Точность измерений определяется измерительными способностями выходного прибора, постоянством амплитуд и существенно зависит от содержания гармоник в исследуемых сигналах. При использовании хорошей схемотехнической базы может быть достигнута точность -1.
В заключении можно сделать выводы, что из показанных методов измерения фазового сдвига наиболее предпочтительным для автоматизации является метод трех амплитуд, т.к. он обладает достаточно высокой точностью во всем диапазоне измерений и простотой реализации.
Для автоматизации измерения ВФХ МДП-структур часто используют схему емкостного делителя. Этот метод очень прост, однако как показал анализ, значение измеряемой емкости обратно пропорционально измеряемому падению напряжения. Это обстоятельство ограничивает диапазон измерения емкостей относительно эталонной емкости Со (см. рис.2.3. в.г.). Однако при разработке аппаратуры не требующей высокой точности, применение метода емкостного делителя является оправданным его метрологической (вычисление искомой величины из результатов измерения) и технической простотой (не требует применения специализированных ИМС).
Кроме методов емкостного делителя можно использовать схему моста. В этом случае при каждом изменении значения измеряемой емкости МДП-структуры разбалансированную схему моста необходимо постоянно балансировать, и затем измерять конечное значение. Этот метод обеспечивает высокую точность измерения, однако затрудняет автоматизацию измерительного процесса и требует больших технических усилий.
Что касается метода измерения емкости МДП-структуры с использованием дифференцируемой схемы, то его преимущества очевидны: измеряемое напряжение линейно зависит от измеряемой емкости. Это дает постоянную точность во всем диапазоне измерения. динамические возможности метода ограничиваются амплитудной характеристикой используемого ОУ и для распространенных ОУ диапазон измеряемых емкостей составляет два порядка. Дополнительными мерами диапазон измеряемых емкостей может быть расширен до трех порядков. т.к. измеряемая емкость является активным элементом измерительной схемы и усилителем сигнала, то протекающий через нее ток полностью участвует в процессе измерения. Тем самым повышается чувствительность схемы измерения к низким значениям емкости (см. выражение 2.11).
Основываясь на этих рассуждениях можно заключить, что для создания автоматизированного устройства измерения емкости обладающей высокой точностью предпочтительнее схема емкостного дифференциатора.
При измерении параметров МДП-структур для увеличения точности измерения емкости за счет исключения реактивной компоненты необходимо измерять сдвиг фазы измеряемого сигнала относительно тестового. Как показано выше, для этих целей наиболее привлекателен метод трех амплитуд.
В этой связи более подробно рассмотрим измерительные возможности дифференцирующей схемы, если на ее вход подключена активная и реактивная нагрузки, т.е. если измеряемая МДП-структура имеет емкостную и активную составляющие импеданса.
Описание программы расчета спектра плотности поверхностных состяний
Для работы с установкой на ЭВМ запускается программа управления экспериментом. Она позволяет в диалоговом режиме выполнять следующие функции: осуществлять измерение ВФХ МДП-структур в автоматическом режиме, автоматически переключать пределы измерения, сохранять полученные данные, распечатывать результаты на принтере, одновременно выводить на экран до четырех результатов измерений, масштабировать график для более детального изучения, рассчитывать параметры структур.
Окно программы содержит две вкладки «Измерение C-V характеристик» и «Расчет параметров МДП-структур». Для проведения измерений или открытия уже сохраненных результатов необходимо активировать вкладку «Измерение C-V характеристик» (Рис.3.14). Здесь задается номер графика для отображения (возможно отображение до 4-х графиков одновременно) и номер массива для сохранения измеренных данных, а так же диапазон напряжения и шаг его изменения для изменения энергетического состояния МДП-структуры (минимальное значение шага составляет 10 мВ) Перед началом измерений необходимо нажать кнопку «Начать измерение». Получив команду, программа диагностирует соединение измерительной установки к ЭВМ и в случае отсутствия ошибок приступает к измерению. Каждая измеренная точка в реальном режиме времени отображается на экране монитора, что позволяет контролировать процесс измерения. Если необходимо открыть сохраненные данные, то необходимо нажать на кнопку «Открыть данные». Сохранение данных в файле, в качестве рисунка или вывод на печать осуществляется путем нажатия на соответствующие кнопки на вкладке «Измерение C-V характеристик». Для расчета параметров МДП-структуры по измеренным данным необходимо перейти во вкладку «Расчет параметров МДП-структуры» (рис.3.15). Здесь необходимо указать какой полупроводник используется (Si, Ge, InSb, GaAs), диэлектрик (Si02, AI2O3, SJ3N4), площадь полевого электрода, температуру окружающей среды. Программа рассчитывает: тип проводимости, емкость диэлектрика, толщину диэлектрика, максимальную ширину ОПЗ, концентрацию легирующей примеси, напряжение плоских зон, емкость плоских зон, суммарный заряд в диэлектрике и границе раздела полупроводник-диэлектрик. Исследование МДП структур
На рис.3.15 показана ВФХ измеренной МДП-структуры и ее рассчитанные параметры [106]. Анализ измерительных возможностей установки показал, что точность измерения не превышает 5%. Такая погрешность обусловлена тем, что в схеме используется емкостной детектор, который, как уже отмечалось выше, обладает нестабильными временными характеристиками. Высокая погрешность достигается так же за счет применения 10-и разрядного АЦП, у которого шаг дискретизации оказывает существенный вклад в измерения на границах измерительного диапазона, так как в емкостном делителе зависимость значения измеряемой емкости от тестового сигнала является нелинейной (см. гл. 2).
Разработанные автоматизированные устройства ВФХ-1, ВФХ-2 измеряют свойства полупроводниковых структур с использованием только одной методики. Для повышения качества измерений и информационных параметров об измеряемой структуре целесообразно применение нескольких методик измерения. Как было показано в гл.1., среди электрофизических методов наиболее востребованными являются методы ВАХ, ВФХ, ФЭДС.
Разработанный комплекс имеет структуру представленную на рис.3.1, устройство содержит: измерительный блок, где на аппаратном уровне реализованы принципы измерения параметров, а также устройство коммутации измерительных и тестовых сигналов; цифровой блок обеспечивает преобразование исследуемых сигналов из аналоговой формы в цифровую и наоборот; оцифрованная информация поступает на ЭВМ по стандартному интерфейсу, где обрабатывается программой управления и обработки данных. Внешний вид комплекса показан на рис.3.16.
Рис.3.16. Внешний вид комплекса
3.3.2. Схема блока преобразования параметров
Блок преобразования физических характеристик в электрические состоит из модулей: программируемого генератора тестового сигнала, блоков измерения вольт-фарадных характеристик (ВФХ), вольт-амперных характеристик (ВАХ), ФЭДС и модуля коммутации аналоговых сигналов. В дополнение в модуле ВФХ проводится измерение разности фаз сигнала относительно тестового, что позволяет дополнительно определять вольт-сименсные характеристики полупроводниковых структур. Структурная схема устройства приведена на рис.3.17. Конструктивно данный блок собран в контейнере, предназначенном для быстрой замены жестких дисков ЭВМ.
Достоинством такой схемы является то, что для измерения параметров достаточно подать управляющие сигналы на коммутирующие реле Р1-РЗ, а не осуществлять коммутацию вручную.
Генератор тестового сигнала собран на основе микросхемы AD9832. Она позволяет генерировать синусоидальные колебания амплитудой 0,7 В. Частота колебаний может программно изменяться в широком диапазоне: от 30 Гц до 109 МГц. Управление работой генератора осуществляется выходным регистром цифрового блока по последовательному интерфейсу SPI.
Для проведения измерений методом ВФХ, тестовый синусоидальный сигнал выбран амплитудой 10 мВ, а для проведения измерений ФЭДС около 0,7 В. Для обеспечения измерений в схеме включен коммутатор аналоговых сигналов ADG708 (DA15), который позволяет переключать сигнал с одного входа на 8 выходов. В данном случае используется только два канала, на выходе каждого находится резистивный делитель и повторитель напряжения на ИМС ОУ. В данном случае используются разные ИМС в силу специфики измерения. Для подачи в схему измерения ВФХ тестового сигнала используется ИМС AD847 (DA17). Схема характеризуется низким выходным сопротивлением, что является критичным для измерения емкости, так как во всех представленных выше методиках тестовый сигнал прикладывается к емкостной нагрузке, которая может достигать таких значений емкости (единицы, десятки пикофарад), что их сопротивление будет меньше 10 Ом. AD847 обладает высокой стабилизацией выходного напряжения от прикладываемой к ее выходу нагрузки. по Для схемы измерения ФЭДС в качестве выходного каскада в схеме генерации тестового сигнала используется ИМС AD818 (DA16). Данная схема обладает высокой стабильностью АЧХ (более 95%) в диапазоне частот от 1 Гц до 1 МГц при усилении сигнала до 100 раз. Схема электрическая-принципиальная генератора тестовых сигналов показана на рис.3.18.
Измерение ВФХ в данном модуле основано на показанном в гл.2, методе, в основе которого лежат свойства дифференицирующего усилителя. В отличие от мостовых схем и схемы емкостного делителя, применение дифференцирующего усилителя дает линейную зависимость выходного напряжения от значения измеряемой емкости, что принципиально повышает точность измерения этого параметра. Другим преимуществом используемого схемотехнического решения является также и то, что оно позволяет снизить уровень шумов и неизбежных наводок, которые имеют место в других схемотехнических решениях. Схема электрическая-принципиальная модуля измерения ВФХ показана на рис.3.19.
