High Precision Small Current Amplifier with Automatic Gain Control in Integrated Semiconductor Parameter Analyzer
Wang, Wengang (2019-12-04)
High Precision Small Current Amplifier with Automatic Gain Control in Integrated Semiconductor Parameter Analyzer
(04.12.2019)
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
avoin
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019122049279
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019122049279
Tiivistelmä
Semiconductor is widely used in integrated circuits, power and lighting devices; precise measuring of electric facilities of electronic devices such as diode, triode, MOS transistor and optoelectronic devices is very important in semiconductor research and circuits or systems design, the measuring approach includes DC, pulse and C-V measurement. The instrument used to analyze electric facilities of semiconductor devices is called semiconductor parameter analyzer, it is the key of analyzing semiconductor devices, which have high market value.
Currently most of the semiconductor parameter analyzer is imported from the United States, such as Keithley 4200 series of Tektronix® and B1500 series of Keysight®. Keithley 4200A-SCS parameter analyzer delivers synchronizing current-voltage (I-V), capacitance-voltage (C-V) and ultra-fast pulsed I-V measurements; Keysight® B1500A parameter analyzer delivers current-voltage (IV) measurement of spot, sweep, sampling and pulse, Quasi-Static Capacitance-Voltage (QS-CV) measurement, advanced pulsed IV and ultra-fast IV measurement. Small current amplifier is the key unit of semiconductor parameter analyzer, which is also the keystone and difficulty of its development. Small current amplifying is to transform small current signal into voltage and frequency signal, make it easier for the instrument’s monitoring and display. Small current signal is dedicated, so there are some obstacles when we design the small current amplifier. This design is the key procedure of the analyzer’s development.
In this design we’d like to amplify the small current by I/V transform, it can respond quickly with wide and adjustable range of measurement. Its input bias current and impedance can satisfy our requirement when seriously select the amplifier and strictly follow the technology process.
The testing result indicates that the smallest detected current of the amplifier reaches pA order of magnitude, which is a competent value compared with the current analyzer, while its cost is much lower (hundredths of it) and it is portable. Puolijohteita käytetään laajalti integroiduissa piireissä, teho- ja valaistuslaitteissa. Elektronisten laitteiden, kuten diodin, triodin, MOS-transistorin ja optoelektronisten laitteiden sähköisten ominaisuuksien tarkka mittaus on erittäin tärkeää puolijohteiden tutkimuksessa ja piirien sekä järjestelmien suunnittelussa. Mittausmenetelmä sisältää DC-, pulssi- ja C-V-mittauksen. Puolijohdelaitteiden sähkölaitteiden analysointiin tarkoitettua välinettä kutsutaan puolijohdeparametrianalysaattoriksi. Se on avain analysoitaessa puolijohdelaitteita, joilla on suuri markkina-arvo.
Tällä hetkellä suurin osa puolijohdeparametrianalysaattorista tuodaan Yhdysvalloista, kuten Keithley 4200 -sarja Tektronix®- ja B1500-sarjasta Keysight®. Keithley 4200A-SCS -parametrianalysaattori mahdollistaa synkronoidun virta-jännite (I-V), kapasitanssi-jännite (C-V) ja erittäin nopeita pulssitettuja I-V-mittauksia; Keysight® B1500A -parametrianalysaattorilla voi tehdä virta-jännite (I-V) mittauksen pisteen, pyyhkäisyn, näytteytyksen ja pulssin muodossa sekä kvasi-staattisen kapasitanssin (QS-CV) mittauksen, kehittyneen pulssin IV ja erittäin nopean IV-mittauksen. Heikkovirtavahvistin on puolijohdeparametrianalysaattorin avainyksikkö, joka on myös sen kulmakivi ja vaikea toteuttaa. Vahvistimen tarkoituksena on muuttaa pieni virtasignaali jännite- ja taajuussignaaliksi, helpottaa laitteen monitorointia ja tuoda se näytölle. Pieni virtasignaali on erityislaatuinen, joten heikkovirtavahvistimia suunniteltaessa on joitakin esteitä. Tämä on analysaattorin suunnittelun keskeinen osa.
Tässä suunnittelussa haluamme vahvistaa pienen virran I/V-muunnoksella. Se voi reagoida nopeasti laajalla ja säädettävällä mittausalueella. Sen syöttöarvo ja impedanssi voivat täyttää vaatimuksemme, kun valitsemme harkitusti vahvistimen ja noudatamme tiukasti teknologiaprosessia.
Prototyyppikokeiden tulokset osoittavat, että prototyypin heikkovirta- vahvistinmoduulin vähimmäis mitattavissa oleva virta saavuttaa pA-tason, joka on pätevä arvo verrattuna nykyiseen analysaattoriin, kun taas sen hinta on paljon pienempi (sadasosa siitä) ja se on kannettava.
Currently most of the semiconductor parameter analyzer is imported from the United States, such as Keithley 4200 series of Tektronix® and B1500 series of Keysight®. Keithley 4200A-SCS parameter analyzer delivers synchronizing current-voltage (I-V), capacitance-voltage (C-V) and ultra-fast pulsed I-V measurements; Keysight® B1500A parameter analyzer delivers current-voltage (IV) measurement of spot, sweep, sampling and pulse, Quasi-Static Capacitance-Voltage (QS-CV) measurement, advanced pulsed IV and ultra-fast IV measurement. Small current amplifier is the key unit of semiconductor parameter analyzer, which is also the keystone and difficulty of its development. Small current amplifying is to transform small current signal into voltage and frequency signal, make it easier for the instrument’s monitoring and display. Small current signal is dedicated, so there are some obstacles when we design the small current amplifier. This design is the key procedure of the analyzer’s development.
In this design we’d like to amplify the small current by I/V transform, it can respond quickly with wide and adjustable range of measurement. Its input bias current and impedance can satisfy our requirement when seriously select the amplifier and strictly follow the technology process.
The testing result indicates that the smallest detected current of the amplifier reaches pA order of magnitude, which is a competent value compared with the current analyzer, while its cost is much lower (hundredths of it) and it is portable.
Tällä hetkellä suurin osa puolijohdeparametrianalysaattorista tuodaan Yhdysvalloista, kuten Keithley 4200 -sarja Tektronix®- ja B1500-sarjasta Keysight®. Keithley 4200A-SCS -parametrianalysaattori mahdollistaa synkronoidun virta-jännite (I-V), kapasitanssi-jännite (C-V) ja erittäin nopeita pulssitettuja I-V-mittauksia; Keysight® B1500A -parametrianalysaattorilla voi tehdä virta-jännite (I-V) mittauksen pisteen, pyyhkäisyn, näytteytyksen ja pulssin muodossa sekä kvasi-staattisen kapasitanssin (QS-CV) mittauksen, kehittyneen pulssin IV ja erittäin nopean IV-mittauksen. Heikkovirtavahvistin on puolijohdeparametrianalysaattorin avainyksikkö, joka on myös sen kulmakivi ja vaikea toteuttaa. Vahvistimen tarkoituksena on muuttaa pieni virtasignaali jännite- ja taajuussignaaliksi, helpottaa laitteen monitorointia ja tuoda se näytölle. Pieni virtasignaali on erityislaatuinen, joten heikkovirtavahvistimia suunniteltaessa on joitakin esteitä. Tämä on analysaattorin suunnittelun keskeinen osa.
Tässä suunnittelussa haluamme vahvistaa pienen virran I/V-muunnoksella. Se voi reagoida nopeasti laajalla ja säädettävällä mittausalueella. Sen syöttöarvo ja impedanssi voivat täyttää vaatimuksemme, kun valitsemme harkitusti vahvistimen ja noudatamme tiukasti teknologiaprosessia.
Prototyyppikokeiden tulokset osoittavat, että prototyypin heikkovirta- vahvistinmoduulin vähimmäis mitattavissa oleva virta saavuttaa pA-tason, joka on pätevä arvo verrattuna nykyiseen analysaattoriin, kun taas sen hinta on paljon pienempi (sadasosa siitä) ja se on kannettava.