Экспериментальные методы измерения вольт-фарадных характеристик

При экспериментальном измерении вольт-фарадных характеристик МДП-структур важное значение имеет частота измерительного сигнала ω. Это связано с тем, что процессы захвата и выброса на поверхностные состояния, а также изменения заряда свободных носителей в инверсионном слое, характеризующие соответствующие емкости C _ss и C _sc, имеют конечные времена τ, сравнимые с периодом обычно используемого в эксперименте сигнала. Напомним, что изменение заряда Q _n в инверсионном слое характеризуется генерационно-рекомбинационным процессом и определяется временем жизни неосновных носителей τ_n в ОПЗ. Характерное время захвата и выброса на поверхностные состояния определяется постоянной времени τ этих состояний. В зависимости от частоты измерительного сигнала различают два метода - метод высокочастотных C-V характеристик и квазистатический C-V метод.

Рис. 2. Равновесные C-V характеристики идеальных МДП-структур на кремнии p-типа с различной толщиной подзатворного диэлектрика

Квазистатический C-V метод

В области низких частот, когда период измерительного сигнала существенно больше времени жизни неосновных носителей τ_n в ОПЗ и постоянной времени поверхностных состояний τ (ω^-1 >> τ_n, τ), полная емкость МДП-структуры определяется суммой всех емкостей. Вольт-фарадная характеристика, измеренная при этом условии, получила название равновесной низкочастотной C-V кривой.

Рис. 3 Схема измерения квазистатических вольт-фарадных характеристик МДП-структур: Г1 - генератор пилообразного напряжения, Э - электрометрический усилитель, XY - двухкоординатный самописец, C - МДП-структура

Экспериментально низкочастотные кривые получают, обычно используя квазистатический C-V метод. Сущность этого метода сводится к тому, что измеряется ток смещения через МДП-систему при линейной развертке напряжения V_G, и величина тока смещения I_см оказывается пропорциональной емкости МДП-структуры. Действительно, если

(6)

то величина тока смещения I_см

(7)

Если емкость МДП-структуры зависит от напряжения C = C (V _G), то и ток смещения также будет зависеть от напряжения I _см = I _см(V _G).

Требование низкой частоты ω^-1 >> τ_n, τ для измерения равновесных низкочастотных кривых обуславливает малые величины скорости изменения напряжения α = dU / dt. Обычно величина α составляет α = 10^-4÷10^-2 В/с. При этих условиях ток смещения через МДП-структуру мал (I _см ≤ 10^-9÷10^-12 А) и для его измерения необходимо пользоваться электрометрическими вольтметрами. На рисунке 3 приведена схема реализации квазистатического метода. Для получения абсолютного отсчета емкости используются калибровочные емкости с малыми сквозными утечками, подключаемые вместо МДП-структур.

Метод высокочастотных C-V характеристик

Сущность метода высокочастотных характеристик заключается в том, что используется для измерения емкости МДП-структуры малый переменный сигнал с периодом, существенно меньшим, чем время жизни неосновных носителей и время перезарядки поверхностных состояний (ω^-1 << τ_n, τ).

При этих условиях заряд в инверсионном канале Q _n не успевает следовать за изменением переменного напряжения, и емкость неосновных носителей C _n равна нулю. Следовательно, емкость ОПЗ C _sc будет обусловлена в обогащении основными носителями, а в обеднении и инверсии - только слоем обеднения C _B. Поскольку поверхностные состояния не успевают перезаряжаться с частотой переменного тестирующего сигнала, то их емкость также равна нулю (C _ss = 0). Таким образом, емкость МДП-структуры на высокой частоте определяется только емкостью диэлектрика C ₀ и емкостью области пространственного заряда C_sc без учета емкости неосновных носителей C _n. Кроме малого по амплитуде измерительного напряжения в этом методе к МДП-структуре прикладывается постоянное напряжение V _G, изменяющее ее емкость C.

Рис. 4 Схема измерения высокочастотных вольт-фарадных характеристик МДП-структур

Обычно это напряжение V _G подают от генератора линейно меняющегося напряжения. Полученную вольт-фарадную характеристику записывают на двухкоординатный самописец. На рис. 4 приведена схема этого метода, иногда называемая схемой Гоетцбергера. Выберем соотношение емкости C МДП-структуры и нагрузочного сопротивления R_H такое, чтобы всегда выполнялось условие R_C = 1/ω C >> R _H. Пусть с генератора переменного напряжения на МДП-структуру подается малое напряжение , причем U < kT/q. Тогда ток через нашу емкость C и нагрузку R _Н будет:

(8)

Падение напряжения на нагрузочном сопротивлении U _RH равно:

(9)

Таким образом, падение напряжения на нагрузочном сопротивлении U_RH пропорционально емкости МДП-структуры. После усиления этого сигнала узкополосным усилителем и детектирования с использованием синхродетектора для выделения только емкостной составляющей в сигнале, мы получаем отклонение пера на самописце по координате Y, пропорциональное емкости МДП-системы. Меняя величину V _G и подавая сигнал генератора развертки V _G одновременно на МДП-структуру и ось X самописца, получаем запись высокочастотной вольт-фарадной характеристики. Для получения абсолютных значений в отсчете емкости вместо МДП-структуры подключают калибровочную емкость.