izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-7-49-54izmertech-1971Research ArticleЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯELECTROMAGNETIC MEASUREMENTSАвтоматизированная система измерений электрофизических параметров полупроводниковых структурAutomated system for measuring electrophysical parameters of semiconductor structureshttps://orcid.org/0000-0001-5657-9128ПечерскаяЕ. А.PecherskayaE. A.

Екатерина Анатольевна Печерская

Пенза

Ekaterina A. Pecherskaya

Penza

pea1@list.ruКарпанинО. В.KarpaninO. V.

Олег Валентинович Карпанин

Пенза

Oleg V. Karpanin

Penza

karpanino@mail.ruТузоваД. Е.TuzovaD. E.

Диана Евгеньевна Тузова

Пенза

Diana E. Tuzova

Penza

diana.tuzova.02@bk.ruНелюцковМ. А.NelyutskovM. A.

Михаил Александрович Нелюцков

Пенза

Mikhail A. Nelyutskov

Penza

nelyuckovmihail@mail.ruАнтипенкоВ. В.AntipenkoV. V.

Владимир Викторович Антипенко

Пенза

Vladimir V. Antipenko

Penza

v.antipenko7@yandex.ruПензенский государственный университетРоссияPenza State UniversityRussian Federation202331082023074954Copyright © Печерская Е.А., Карпанин О.В., Тузова Д.Е., Нелюцков М.А., Антипенко В.В., 20232023Печерская Е.А., Карпанин О.В., Тузова Д.Е., Нелюцков М.А., Антипенко В.В.Pecherskaya E.A., Karpanin O.V., Tuzova D.E., Nelyutskov M.A., Antipenko V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/1971

Кратко проанализирована современная ситуация в области исследований свойств полупроводниковых материалов и их применения. Показано, что существующие установки для измерения вольт-фарадных характеристик полупроводниковых материалов имеют ряд недостатков, и необходимо создавать автоматизированные системы измерений электрофизических параметров полупроводниковых структур. Разработана автоматизированная информационно-измерительная система измерений вольт-фарадных характеристик полупроводниковых структур, в том числе структур на основе прозрачных проводящих покрытий. Представлены результаты функционального и метрологического анализа канала измерения комплексной проводимости. В результате функционального анализа получены функции преобразования комплексной проводимости в цифровой код, пропорциональный ёмкостной и активной составляющим проводимости. Составлена структурная метрологическая модель канала измерения комплексной проводимости, учитывающая аддитивные, мультипликативные погрешности звеньев, а также погрешность квантования аналого-цифрового преобразователя. Выведены выражения для реальных функций преобразования комплексной проводимости в цифровой код, пропорциональный ёмкостной и активной составляющим проводимости, с учётом инструментальных погрешностей звеньев в составе измерительного канала. Метрологический анализ позволяет решить как прямую задачу расчёта инструментальной погрешности измерительного канала по известным номинальным параметрам и погрешностям составляющих его звеньев, так и обратную задачу установления требований к метрологическим характеристикам звеньев в составе измерительных каналов для обеспечения требуемого значения предельной погрешности измерения. Теоретически установлено и подтверждено экспериментально, что пределы допускаемой относительной погрешности измерений ёмкости и проводимости не превышают ±3 %. Разработанная автоматизированная информационно-измерительная система позволяет не только измерять вольт-фарадные характеристики исследуемых полупроводниковых структур, но и обрабатывать результаты измерений с целью определения электрофизических параметров косвенным методом. Автоматизированная информационно-измерительная система будет полезна при производстве радиоэлектронной техники и функциональной электроники, например, для контроля готовой продукции или разработки новых полупроводниковых структур и изделий на их основе.

сThe article is devoted to the development of an automated information and measurement system for measuring the voltfarad characteristics of semiconductor structures, including structures based on transparent conductive coatings. The structure of the information-measuring system is proposed, the results of functional and metrological analysis of the measurement channel of complex conductivity are presented. In particular, as a result of functional analysis, the functions of converting complex conductivity into a digital code proportional to the capacitive component and the active component of conductivity are obtained. In the process of metrological analysis, a metrological structural model of the complex conductivity measurement channel has been compiled, which, unlike the functional model, takes into account additive, multiplicative errors of the links, as well as the quantization error of the analog-to-digital converter. Expressions are obtained for the real functions of converting complex conductivity into a digital code proportional to the capacitive and active component of conductivity, taking into account the instrumental errors of the links that make up the measuring channel. Metrological analysis makes it possible to solve both the direct problem of calculating the instrumental error of the measuring channel according to the known nominal parameters and errors of its constituent links, and the inverse problem, which consists in assigning requirements to the metrological characteristics of the links in the measuring channels to ensure the required value of the maximum measurement error. In particular, based on the metrological analysis performed, it was found that the limits of the permissible relative error of capacitance and conductivity measurements do not exceed ±3 %, which is confi rmed experimentally. The developed automated information and measurement system allows not only to measure the volt-farad characteristics of the studied semiconductor structures, but also to process measurements in order to determine the electrophysical parameters by an indirect method.

полупроводниковые структурыизмерениявольт-фарадные характеристикиавтоматизированная системаизмерительный каналфункциональный анализметрологический анализsemiconductor structuresmeasurementscapacitance-voltage characteristicsautomated systemmeasuring channelfunctional analysismetrological analysisработа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант РНФ 23-29-00343)This work was supported by the Russian Science Foundation (Russian Science Foundation grant 23-29-00343).ReferencesBronovets M. A., Volodin N. M., Mishin Yu. N. Materials Letters, 2022, vol. 267, 127467. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127467Bronovets M. A., Volodin N. M., Mishin Yu. N. Materials Letters, 2022, vol. 267, 127467. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127467Jun Xu, Jun Wu, Xiaomei Hu. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Energy, 2020, vol. 1, 042004. https://doi.org/10.1088/1755-1315/474/5/052081Jun Xu, Jun Wu, Xiaomei Hu. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Energy, 2020, vol. 1, 042004. https://doi.org/10.1088/1755-1315/474/5/052081Jessica Wade, Joseph Razzell Hollis, Sebastian Wood. Printed Electronics: Materials, Technologies and Applications, London, Published by IOP Publishing, wholly owned by The Institute of Physics, 2018, 17 р. https://doi.org/10.1088/978-0-7503-1608-8Jessica Wade, Joseph Razzell Hollis, Sebastian Wood. Printed Electronics: Materials, Technologies and Applications, London, Published by IOP Publishing, wholly owned by The Institute of Physics, 2018, 17 р. https://doi.org/10.1088/978-0-7503-1608-8Ma D. Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 1865, 02207. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1865/2/022078Ma D. Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 1865, 02207. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1865/2/022078Hood S. N., Walsh A., Persson C. et al. J. Phys. Energy, 2019, vol. 1, 042004. https://doi.org/10.1088/2515-7655/ab2dda 6. Kazakovtsev L. A., Orlov V. I., Stashkov D. V., Antamoshkin A. N., Masich I. S. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017, vol. 255, 012004. https://doi.org/10.1088/1757-899X/255/1/012004Hood S. N., Walsh A., Persson C. et al. J. Phys. Energy, 2019, vol. 1, 042004. https://doi.org/10.1088/2515-7655/ab2dda 6. Kazakovtsev L. A., Orlov V. I., Stashkov D. V., Antamoshkin A. N., Masich I. S. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017, vol. 255, 012004. https://doi.org/10.1088/1757-899X/255/1/012004Zinchenko T. O., Pecherskaya E. A., Antipenko V. V., Volik A. V., Varenik Y. A., Shepeleva A. E. Materials Science Forum, 2022, vol. 1049 MSF, pp. 198–203. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1049.198Zinchenko T. O., Pecherskaya E. A., Antipenko V. V., Volik A. V., Varenik Y. A., Shepeleva A. E. Materials Science Forum, 2022, vol. 1049 MSF, pp. 198–203. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1049.198Zinchenko T. O., Golubkov P. E., Pecherskaya E. A., Antipenko V. V., Kozlov G. V., Pecherskiy A. V. Proceedings 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, EFRE 2020, 14–26 September 2020, Tomsk, Russia, IEEE Publ., 2020, pp. 1309–1313. https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9241909Zinchenko T. O., Golubkov P. E., Pecherskaya E. A., Antipenko V. V., Kozlov G. V., Pecherskiy A. V. Proceedings 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, EFRE 2020, 14–26 September 2020, Tomsk, Russia, IEEE Publ., 2020, pp. 1309–1313. https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9241909Zinchenko T. O., Pecherskaya E. A., Nikolaev K. O., Golubkov P. E., Shepeleva Y. V., Artamonov D. V. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1410(1), 012090. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1410/1/012090Zinchenko T. O., Pecherskaya E. A., Nikolaev K. O., Golubkov P. E., Shepeleva Y. V., Artamonov D. V. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1410(1), 012090. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1410/1/012090Печерская Р. М., Вареник Ю. А., Карпанин О. В., Метальников А. М. Автоматизированный лабораторный практикум по материалам и элементам электронной техники // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2012. Т. 12. № 7. С. 68–70. https://elibrary.ru/tqbrgfPecherskaya R. M., Varenik Yu. A., Karpanin O. V., Metalnikov A. M. Fundamental problems of radio-electronic instrumentation, 2012, vol. 12, no. 7, pp. 68–70 (In Russ.)Печерская Е. А., Тузова Д. Е., Голубков П. Е. Функциональный и метрологический анализ каналов измерения параметров магнитных материалов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2022. № 4(42). С. 58– 63.Pecherskaya E. A., Tuzova D. E., Golubkov P. E. Measurement. Monitoring. Management. Control, 2022, no. 4(42). pp. 58–63 (In Russ.)] https://doi.org/10.21685/2307-5538-2022-4-8

The authors declare that there are no conflicts of interest present.