Новые возможности анализа вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов

№ 9’2007
PDF версия
Рассмотрены новые возможности анализа полупроводниковых приборов и структур, предоставляемые измерителем параметров ИППП-1 при совместном использовании с графическим постпроцессором Probe.

Рассмотрены новые возможности анализа полупроводниковых приборов и структур, предоставляемые измерителем параметров ИППП-1 при совместном использовании с графическим постпроцессором Probe.

Сувеличением степени интеграции микросхем, в частности при переходе к субмикронным размерам элементов, значительно возрастают требования к техническим характеристикам и функциональным возможностям электроизмерительных приборов, предназначенных для исследования полупроводниковых структур. Это, прежде всего, связано с необходимостью оперативного контроля качества технологических процессов, параметров сформированных интегральных элементов и быстрого реагирования для приведения технологического маршрута изготовления микросхем в соответствие с нормативной документацией [1].

Для этих целей при создании современных БИС/СБИС используются анализаторы параметров полупроводниковых приборов (semiconductor parameter analyzer), которые позволяют выполнять автоматизированные измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ), набирать статистические данные, обрабатывать их по различным встроенным алгоритмам и на основе результатов обработки осуществлять идентификацию параметров «Spice-моделей», конструктивно-технологических и электрофизических параметров.

Измерительный прибор такого вида (измеритель параметров полупроводниковых приборов ИППП-1) создан в ОАО «МНИПИ». Он включает до 4 управляемых от внешнего компьютера источников-измерителей, программное обеспечение LIDER для предварительной обработки результатов измерений [2, 3] и отличается от ближайших зарубежных аналогов значительно меньшей (в 3–10 раз) стоимостью.

Использование ИППП-1 для измерений различных элементов интегральных микросхем позволило установить целесообразность в некоторых случаях адаптации измерителя параметров к зондовым установкам и необходимость расширения возможностей математической обработки результатов измерений. Это объясняется тем, что современные интегральные транзисторы имеют малые горизонтальные и вертикальные размеры, в связи с чем характеризуются высокой граничной частотой и при определенных условиях подсоединения могут самовозбуждаться. С другой стороны, прибор ИППП-1 ориентирован прежде всего на выполнение измерений в пикоамперном диапазоне токов, для чего входящий в комплект ИППП-1 модуль МП1, предназначенный для подключения к зондовой установке, снабжен антивибрационными кабелями типа АВК-6, паразитные параметры которых могут привести к самовозбуждению исследуемых высокочастотных приборов, расположенных на полупроводниковой пластине. Одной из причин самовозбуждения также может быть соединение внутри модуля МП1 оплетки коаксиального антивибрационного кабеля со средней оплеткой (защитным экраном) основного триаксиального кабеля [4]. Для уменьшения токов утечки в измерительной цепи [5] потенциал защитного экрана поддерживается равным потенциалу центрального проводника триаксиального кабеля с помощью «следящего» усилителя, выходное сопротивление и инерционные свойства которого не позволяют осуществить идеальное «заземление» защитного экрана по высокочастотному переменному сигналу.

Заметим, что измерения собранных в корпуса высокочастотных транзисторов с помощью экранированного контактирующего устройства УК1, входящего в комплект ИППП-1 и подсоединяемого к измерительному прибору только триаксиальными кабелями, не вызывают каких-либо проблем.

Для обеспечения повторяемости результатов измерений высокочастотных транзисторов на полупроводниковых пластинах мы заменили антивибрационные кабели модуля МП1 на типовые коаксиальные кабели с 50-омным волновым сопротивлением и минимальной длиной; оплетка коаксиальных кабелей соединена с внешней оплеткой триаксиальных кабелей — шиной нулевого потенциала; непосредственно на зондодержателях размещены RC-фильтры, параметры которых установлены экспериментальным путем при регистрации ВАХ в широком диапазоне рабочих токов и напряжений [6]. Так, выбор номиналов R = 62 Oм, C = 100 пФ позволил получить неискаженные ВАХ n-p-n-транзистора с граничной частотой более 4 ГГц в диапазоне коллекторных токов от 2 мкА до 5 мА. Расположение модуля присоединительного МП1 на зондовой установке ЭМ-6040 и RC-фильтра на зондодержателе показано на рис. 1–2, а в работе [6] подробно рассмотрено влияние параметров RC-фильтров на ВАХ.

Измерительный комплекс, включающий ИППП-1 и ЭМ-6040
Рис. 1. Измерительный комплекс, включающий ИППП-1 и ЭМ-6040
Расположение RC-фильтра на зондодержателе
Рис. 2. Расположение RC-фильтра на зондодержателе

Выполнить математическую обработку позволяет созданная нами программа, преобразующая результаты измерений прибора ИППП-1 в csd-формат, который можно импортировать графическим постпроцессором Probe.

Графический постпроцессор Probe был выбран для обработки результатов измерений по двум причинам. Во-первых, он является составной частью системы проектирования OrСad 10, которая широко применяется для схемотехнического моделирования аналоговых и цифровых схем, синтеза ПЛИС, проектирования печатных плат. Во-вторых, Probe позволяет отображать на оси Y одну или несколько переменных или математических выражений с использованием следующих основных операций:

  • +, –, ×, / — арифметические операции;
  • ABS(x) — абсолютное значение переменной х;
  • SQRT(x) — корень квадратный из х;
  • EXP(x) — экспонента х;
  • LOG(x) — натуральный логарифм х;
  • LOG10(x) — десятичный логарифм х;
  • PWR(x,y) — степенная функция xy;
  • d(y) — производная от переменной у по переменной, отображаемой на оси Х;
  • s(y) — интеграл от переменной у по переменной, отображаемой на оси X;
  • AVG(y) — текущее среднее значение переменной у;
  • RMS(y) — текущее среднеквадратическое значение переменной у;
  • DB(x) — значение переменной х в децибелах;
  • MIN(x) — минимальное значение переменной х;
  • МАХ(х) — максимальное значение переменной х и др.

Графический интерфейс программы Probe существенно упрощает работу, так как позволяет: одновременно отобразить в одном «окне» результаты измерений из двух и более файлов; изменить различными способами масштаб изображения, в том числе вывести на весь экран часть изображения, охваченного «резиновым» прямоугольником; вывести координаты определенных точек на графиках с помощью электронного курсора; автоматически переместить курсор к следующему локальному (или глобальному) максимуму (или минимуму) на графике; задать диапазоны значений по осям X, Y, выбрать линейные или логарифмические шкалы; нанести на графики текстовые и графические символы (текст, отрезок линии, стрелку, прямоугольник, окружность, эллипс) и многое другое.

Новые возможности прибора ИППП-1 поясняют следующие примеры.

  1. По традиционно измеряемым для диодов ВАХ можно определить различие прямого падения напряжения при одинаковом токе, но сделать какие-либо другие выводы по этим характеристикам затруднительно. Совместное использование ИППП-1 и Probe позволило отобразить на одном графике (рис. 3) не только зависимости тока (кривые 1, 2) от напряжения прямого смещения диодов, но и зависимости натурального логарифма тока диодов (кривые 3, 4).
  2. Зависимости тока диодов (кривые 1, 2) и натурального логарифма тока диодов (кривые 3, 4) от напряжения прямого смещения, полученные с использованием Probe
    Рис. 3. Зависимости тока диодов (кривые 1, 2) и натурального логарифма тока диодов (кривые 3, 4) от напряжения прямого смещения, полученные с использованием Probe

Известно, что ток через прямо смещенный диод ID зависит от напряжения на нем VD как:

где IS — обратный ток насыщения диода, m — фактор, характеризующий отклонение ВАХ p-n-перехода от экспоненты, φT — температурный потенциал.

Из (1) следует, что при выполнении условия VD >> T наклон ВАХ диода при логарифмическом значении тока определяется соотношением:

Соотношение (2) позволяет рассчитать величину m-фактора, по отклонению которого от идеального значения, равного единице, допустимо прогнозировать уменьшение надежности и увеличение уровня шумов. Для кривой 3 (рис. 3) величина T ≈ 27,15 мВ, что близко к теоретическому значению, равному 25,3 мВ, а для кривой 4 величина T ≈ 36,89 мВ, и такой диод целесообразно забраковать.

  1. Обычно напряжение отсечки полевого транзистора с p-n-переходом (ПТП) определяют как напряжение обратно смещенного перехода «затвор–исток», при котором ток стока достигает заданного минимального значения:
  2. где VTO — напряжение отсечки, VGS — напряжение на p-n-переходе «затвор–исток», ID, IDMIN — ток стока и минимальный ток стока.

Однако идентификация параметра VTO для схемотехнического моделирования в Spice-подобных программах осуществляется иным методом. Исходя из зависимости √ID = ƒ(VGS) в области насыщения ПТП, напряжение отсечки определяют как точку пересечения касательной к линейной области кривой с осью VGS , а по наклону этой касательной рассчитывают величину √BETA(BETA — удельная крутизна ПТП) [7].

Этот метод основан на модели Шихмана-Ходжеса, в соответствии с которой для области насыщения ПТП справедливо:

Для мощных ПТП зависимость √ID = ƒ(VGS) нелинейна вследствие падения напряжения на сопротивлении истока RS. В этом случае измерения ВАХ для определения параметров VTO и BETA рекомендуется выполнять при малых токах стока. В микромощных ПТП даже при VGS ≈ 0 на зависимость ID = ƒ(VGS) оказывает влияние существование подпороговой области ВАХ, и поэтому для идентификации параметров VTO и BETA целесообразно использовать результаты измерений, полученные при небольшом прямом смещении p-n-перехода «исток–затвор» (ориентировочно до |VGS|

Указанные особенности идентификации параметров ПТП поясняют результаты измерений (рис. 4), выполненных с помощью прибора ИППП-1 и обработанных постпроцессором Probe. Возможности графического постпроцессора позволили отобразить на одном графике две оси Y, одна из которых соответствует току стока ID (кривая 1), а вторая — квадратному корню из тока стока (кривая 2), обозначенному в соответствии с принятыми в программе Probe правилами как Sqrt(ID). Кроме того, на рис. 4 показаны касательные к линейной области кривой √ID = ƒ(VGS) в точках VGS = 0 (кривая 3) и VGS = 3 В (кривая 4).

Зависимости тока стока (кривая 1) и квадратного корня из тока стока (кривая 2) от напряжения «затвор–исток» ПТП, полученные с использованием Probe
Рис. 4. Зависимости тока стока (кривая 1) и квадратного корня из тока стока (кривая 2) от напряжения «затвор–исток» ПТП, полученные с использованием Probe

Анализ графиков позволяет сделать следующие выводы:

  • Касательная в точке VGS = 3 В (кривая 4) лучше совпадает с зависимостью √ID = ƒ(VGS) в широком диапазоне токов, чем касательная при VGS = 0 (кривая 3), что может быть объяснено влиянием сопротивления истока RS на ВАХ в области большого тока стока.
  • Напряжение отсечки, наиболее удовлетворяющее модели Шихмана-Ходжеса, следует определять как точку пересечения кривой 4 с осью VGS. Оно составляет 6,42 В, отличается от значения, измеренного в со ответствии с выражением (3) (кривая 1, VTO = 6,5556 В), и не совпадает с величиной, определяемой касательной в точке VGS = 0 В (кривая 3, VTO = 6,0585 В).

3 ИППП-1 и Probe позволяют эффективно исследовать нелинейность ВАХ различных полупроводниковых приборов. Так, на рис. 5 показаны ВАХ полупроводниковых резисторов с сопротивлением 2,5 кОм (кривая 1) и 450 Ом (кривая 2).

ВАХ полупроводниковых резисторов с сопротивлением 2,5 кОм (кривая 1) и 450 Ом (кривая 2)
Рис. 5. ВАХ полупроводниковых резисторов с сопротивлением 2,5 кОм (кривая 1) и 450 Ом (кривая 2)

Очевидно, что сопротивление полупроводникового резистора зависит от падения напряжения на нем, но по кривым, приведенным на рис. 5, затруднительно определить коэффициент VCR (voltage coefficient of resistance), характеризующий нелинейность ВАХ резисторов:

где R(V), R(0) — сопротивление резистора при напряжении, равном V, и нулевом напряжении.

Указанная задача решается при построении зависимостей от напряжения сопротивлений полупроводниковых резисторов, нормированных на максимальное значение (кривые 1, 2 на рис. 6). На оси Y рис. 6 отображено выражение Vr/Ir/MAX(Vr/Ir), соответствующее в Probe соотношению R(V)/RMAX, из которого можно определить коэффициент VCR, а при необходимости — зависимость VCR(V).

Зависимости от напряжения сопротивлений полупроводниковых резисторов 2,5 кОм (кривая 1) и 450 Ом (кривая 2), нормированных на максимальное значение
Рис. 6. Зависимости от напряжения сопротивлений полупроводниковых резисторов 2,5 кОм (кривая 1) и 450 Ом (кривая 2), нормированных на максимальное значение

Таким образом, совместное применение прибора ИППП-1 и графического постпроцессора Probe предоставляет уникальные возможности по оперативному контролю качества технологических процессов изготовления микросхем и исследованию различных полупроводниковых приборов.

Литература

  1. Абрамов И. И., Дворников О. В. Тенденции и проблемы проектирования прецизионных аналоговых интерфейсов // Нано- и микросистемная техника. 2005. № 10.
  2. Лисенков Б. Н. Измеритель параметров полупроводниковых приборов ИППП-1. Минск: ОАО «МНИПИ», 2006. http://www.mnipi.by/Docs/ippp1-Brief_information.zip
  3. Лисенков Б. Н., Бруёк А. А. Программное обеспечение LIDER. Минск: ОАО «МНИПИ», 2006. http://www.mnipi.by/Docs/lider.zip
  4. Измеритель параметров полупроводниковых приборов ИППП-1. Руководство по эксплуатации.
  5. Дворников О. В. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами // Компоненты и технологии. 2005. №6.
  6. Дворников О. В., Лисенков Б. Н., Шульгевич Ю. Ф. Особенности измерений высокочастотных биполярных транзисторов на полупроводниковых пластинах. Минск: ОАО «МНИПИ», 2007. http://www.mnipi.by/Docs/IPPP_1_features_1.zip.
  7. Абрамов, И. И., Дворников О. В. Проектирование аналоговых микросхем для прецизионных измерительных систем. Минск: Акад. упр. при Президенте РБ, 2006.
xosotin chelseathông tin chuyển nhượngcâu lạc bộ bóng đá arsenalbóng đá atalantabundesligacầu thủ haalandUEFAevertonxosofutebol ao vivofutemaxmulticanaisonbetbóng đá world cupbóng đá inter milantin juventusbenzemala ligaclb leicester cityMUman citymessi lionelsalahnapolineymarpsgronaldoserie atottenhamvalenciaAS ROMALeverkusenac milanmbappenapolinewcastleaston villaliverpoolfa cupreal madridpremier leagueAjaxbao bong da247EPLbarcelonabournemouthaff cupasean footballbên lề sân cỏbáo bóng đá mớibóng đá cúp thế giớitin bóng đá ViệtUEFAbáo bóng đá việt namHuyền thoại bóng đágiải ngoại hạng anhSeagametap chi bong da the gioitin bong da lutrận đấu hôm nayviệt nam bóng đátin nong bong daBóng đá nữthể thao 7m24h bóng đábóng đá hôm naythe thao ngoai hang anhtin nhanh bóng đáphòng thay đồ bóng đábóng đá phủikèo nhà cái onbetbóng đá lu 2thông tin phòng thay đồthe thao vuaapp đánh lô đềdudoanxosoxổ số giải đặc biệthôm nay xổ sốkèo đẹp hôm nayketquaxosokq xskqxsmnsoi cầu ba miềnsoi cau thong kesxkt hôm naythế giới xổ sốxổ số 24hxo.soxoso3mienxo so ba mienxoso dac bietxosodientoanxổ số dự đoánvé số chiều xổxoso ket quaxosokienthietxoso kq hôm nayxoso ktxổ số megaxổ số mới nhất hôm nayxoso truc tiepxoso ViệtSX3MIENxs dự đoánxs mien bac hom nayxs miên namxsmientrungxsmn thu 7con số may mắn hôm nayKQXS 3 miền Bắc Trung Nam Nhanhdự đoán xổ số 3 miềndò vé sốdu doan xo so hom nayket qua xo xoket qua xo so.vntrúng thưởng xo sokq xoso trực tiếpket qua xskqxs 247số miền nams0x0 mienbacxosobamien hôm naysố đẹp hôm naysố đẹp trực tuyếnnuôi số đẹpxo so hom quaxoso ketquaxstruc tiep hom nayxổ số kiến thiết trực tiếpxổ số kq hôm nayso xo kq trực tuyenkết quả xổ số miền bắc trực tiếpxo so miền namxổ số miền nam trực tiếptrực tiếp xổ số hôm nayket wa xsKQ XOSOxoso onlinexo so truc tiep hom nayxsttso mien bac trong ngàyKQXS3Msố so mien bacdu doan xo so onlinedu doan cau loxổ số kenokqxs vnKQXOSOKQXS hôm naytrực tiếp kết quả xổ số ba miềncap lo dep nhat hom naysoi cầu chuẩn hôm nayso ket qua xo soXem kết quả xổ số nhanh nhấtSX3MIENXSMB chủ nhậtKQXSMNkết quả mở giải trực tuyếnGiờ vàng chốt số OnlineĐánh Đề Con Gìdò số miền namdò vé số hôm nayso mo so debach thủ lô đẹp nhất hôm naycầu đề hôm naykết quả xổ số kiến thiết toàn quốccau dep 88xsmb rong bach kimket qua xs 2023dự đoán xổ số hàng ngàyBạch thủ đề miền BắcSoi Cầu MB thần tàisoi cau vip 247soi cầu tốtsoi cầu miễn phísoi cau mb vipxsmb hom nayxs vietlottxsmn hôm naycầu lô đẹpthống kê lô kép xổ số miền Bắcquay thử xsmnxổ số thần tàiQuay thử XSMTxổ số chiều nayxo so mien nam hom nayweb đánh lô đề trực tuyến uy tínKQXS hôm nayxsmb ngày hôm nayXSMT chủ nhậtxổ số Power 6/55KQXS A trúng roycao thủ chốt sốbảng xổ số đặc biệtsoi cầu 247 vipsoi cầu wap 666Soi cầu miễn phí 888 VIPSoi Cau Chuan MBđộc thủ desố miền bắcthần tài cho sốKết quả xổ số thần tàiXem trực tiếp xổ sốXIN SỐ THẦN TÀI THỔ ĐỊACầu lô số đẹplô đẹp vip 24hsoi cầu miễn phí 888xổ số kiến thiết chiều nayXSMN thứ 7 hàng tuầnKết quả Xổ số Hồ Chí Minhnhà cái xổ số Việt NamXổ Số Đại PhátXổ số mới nhất Hôm Nayso xo mb hom nayxxmb88quay thu mbXo so Minh ChinhXS Minh Ngọc trực tiếp hôm nayXSMN 88XSTDxs than taixổ số UY TIN NHẤTxs vietlott 88SOI CẦU SIÊU CHUẨNSoiCauVietlô đẹp hôm nay vipket qua so xo hom naykqxsmb 30 ngàydự đoán xổ số 3 miềnSoi cầu 3 càng chuẩn xácbạch thủ lônuoi lo chuanbắt lô chuẩn theo ngàykq xo-solô 3 càngnuôi lô đề siêu vipcầu Lô Xiên XSMBđề về bao nhiêuSoi cầu x3xổ số kiến thiết ngày hôm nayquay thử xsmttruc tiep kết quả sxmntrực tiếp miền bắckết quả xổ số chấm vnbảng xs đặc biệt năm 2023soi cau xsmbxổ số hà nội hôm naysxmtxsmt hôm nayxs truc tiep mbketqua xo so onlinekqxs onlinexo số hôm nayXS3MTin xs hôm nayxsmn thu2XSMN hom nayxổ số miền bắc trực tiếp hôm naySO XOxsmbsxmn hôm nay188betlink188 xo sosoi cầu vip 88lô tô việtsoi lô việtXS247xs ba miềnchốt lô đẹp nhất hôm naychốt số xsmbCHƠI LÔ TÔsoi cau mn hom naychốt lô chuẩndu doan sxmtdự đoán xổ số onlinerồng bạch kim chốt 3 càng miễn phí hôm naythống kê lô gan miền bắcdàn đề lôCầu Kèo Đặc Biệtchốt cầu may mắnkết quả xổ số miền bắc hômSoi cầu vàng 777thẻ bài onlinedu doan mn 888soi cầu miền nam vipsoi cầu mt vipdàn de hôm nay7 cao thủ chốt sốsoi cau mien phi 7777 cao thủ chốt số nức tiếng3 càng miền bắcrồng bạch kim 777dàn de bất bạion newsddxsmn188betw88w88789bettf88sin88suvipsunwintf88five8812betsv88vn88Top 10 nhà cái uy tínsky88iwinlucky88nhacaisin88oxbetm88vn88w88789betiwinf8betrio66rio66lucky88oxbetvn88188bet789betMay-88five88one88sin88bk88xbetoxbetMU88188BETSV88RIO66ONBET88188betM88M88SV88Jun-68Jun-88one88iwinv9betw388OXBETw388w388onbetonbetonbetonbet88onbet88onbet88onbet88onbetonbetonbetonbetqh88mu88Nhà cái uy tínpog79vp777vp777vipbetvipbetuk88uk88typhu88typhu88tk88tk88sm66sm66me88me888live8live8livesm66me88win798livesm66me88win79pog79pog79vp777vp777uk88uk88tk88tk88luck8luck8kingbet86kingbet86k188k188hr99hr99123b8xbetvnvipbetsv66zbettaisunwin-vntyphu88vn138vwinvwinvi68ee881xbetrio66zbetvn138i9betvipfi88clubcf68onbet88ee88typhu88onbetonbetkhuyenmai12bet-moblie12betmoblietaimienphi247vi68clupcf68clupvipbeti9betqh88onb123onbefsoi cầunổ hũbắn cáđá gàđá gàgame bàicasinosoi cầuxóc đĩagame bàigiải mã giấc mơbầu cuaslot gamecasinonổ hủdàn đềBắn cácasinodàn đềnổ hũtài xỉuslot gamecasinobắn cáđá gàgame bàithể thaogame bàisoi cầukqsssoi cầucờ tướngbắn cágame bàixóc đĩaAG百家乐AG百家乐AG真人AG真人爱游戏华体会华体会im体育kok体育开云体育开云体育开云体育乐鱼体育乐鱼体育欧宝体育ob体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育开云体育开云体育棋牌棋牌沙巴体育买球平台新葡京娱乐开云体育mu88qh88

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *