Создание программного обеспечения на LabVIEW для лабораторных работ, созданных на базе котроллер NI-6221

 

3.3 Программа для измерения C(t) зависимости МДП-структур.

 

Для проведения автоматизированных измерений C(t) зависимости МДП-структуры была разработана программа в среде LabVIEW, позволяющая провести такой эксперимент.

 

3.3.1 Панель управления.

 

Пользовательская панель программы, реализующей алгоритм измерения C(t) зависимости МДП-структур, представлена на рисунке 14.

 

Рис.14 Передняя панель программы для измерения C(t) характеристик МДП-структур.

 

На данной панели представлен определённый набор элементов, которые необходимы для проведения эксперимента. Все элементы разделены на блоки, каждый из которых отвечает либо за ввод, либо за вывод данных.

Блок, отвечающий за ввод данных, располагается в левом верхнем углу. Он содержит элементы формирования импульса обеднения (рис. 13), а точнее:

1. Начальное напряжение(US(В))
2. Выдержка(tЗ(с))-время в течение которого будет удерживаться US
3. Конечное напряжение(UF(В))

Также данный блок содержит:

4. Время накопления(tН(с))-время в течение которого будет проходить эксперимент
5. Шаг по времени(с)-временной интервал через который программа будет считывать выходной сигнал

Данные необходимые для записи в файл:

6. Максимум ВФХ
7. Площадь затвора
8. Путь к файлу с результатом

Блок, отвечающий за вывод данных, располагается в левом нижнем углу и справа. Эта часть содержит:

1. Таблицу измерений
2. Максимум С-Т(пФ)
3. Минимум С-Т(пФ)
4. График полученной С(t) зависимости МДП-структур.

 

3.3.2 Практическая реализация алгоритма измерения.

 

Программа, проводящая измерения C(t) зависимости МДП-структуры, полностью повторяет методику измерений данной зависимости. Вся программа поделена на функциональные блоки (кадры), которые должны выполняться строго последовательно. Рассмотрим структуру каждого блока подробнее.

Первым  шагом программы является обнуление всех присутствующих на передней панели индикаторов, и включение реле для проведения калибровки. Обнуление всех индикаторов необходимо для того, чтобы у пользователя во время проведения эксперимента, не возникло ощущение того, что программа выдаёт не корректные результаты.

Вторым шагом программы является проведение самой калибровки. Для этого запускается генератор, формирующий прямоугольные импульсы малой частоты (100 КГц), при этом в измерительную цепь дополнительно подаётся напряжение с выхода ЦАПа равное 5В. Для уменьшения амплитуды сигнала генератора модуля NI-PCI-6221 до U»kT/q=25мВ служит делитель R2-R3. После формирования измерительного сигнала происходит считывание выходного сигнала. Выходной сигнал считывается 1000 раз, после этого происходит усреднение полученного значения и рассчитывается калибровочный множитель.

На четвёртом шаге происходит отключение калибровочной ёмкости посредствам выключения реле предназначенного для калибровки. На пятом шаге программа подключает исследуемый образец, включая реле для проведения измерения.

Шаги шесть и семь можно объединить, т.к. в них происходит измерение C(t) зависимости МДП-структуры. При проведении такого измерения для начала необходимо сформировать импульс обеднения, для этого на выходе ЦАПа формируется начальное напряжение, которое пользователь задаёт на передней панели в поле: «Начальное напряжение(Vs(В))». Данное напряжение выдерживается определённое время, которое так же задаётся пользователем на передней панели в поле: «Выдержка(tз(с))». По истечению времени выдержки на ЦАПе выставляется конечное напряжение, этот параметр пользователь также задаётся на передней панели в поле: «Конечное напряжение(Vf(В))», формируя тем самым импульс обеднения (рис. 13). После того как импульс окончательно сформирован, происходит считывание выходного сигнала, для этого запускается цикл. Количество итераций цикла рассчитывается исходя из заданного времени накопления и шага по времени путём деления первого на второе. Каждая итерация цикла происходит с задержкой равной шагу по времени. Во время каждой итерации происходит считывание выходного сигнала, после чего её значение усредняется и домножается на калибровочный множитель. Каждая точка считывается 1000 раз, это необходимо для того, чтобы избавится от возможных помех возникающих при измерении вследствие того, что происходит измерение очень маленького напряжения (порядка нескольких мВ). Каждая рассчитанная точка выводится на экран виртуального осциллографа, отображается в таблице и записывается в файл. По истечении времени накопления цикл завершает свою работу и происходит выделение из массива ёмкостей максимального и минимального значений, которые выводятся на переднюю панель в поле: «Максимум С-Т(пФ)» и «Минимум С-Т(пФ)» соответственно.

На восьмом шаге происходит отключение исследуемого образца путём выключения реле для проведения измерений. А также происходит обнуление значения напряжения на ЦАПе.

Результатом выполнения программы является созданный файл, содержащий результаты измерения C(t) зависимости МДП-структур. Данные в файле представлены в формате пригодном для обработки программой, позволяющей определить генерационные характеристики МДП-структуры, созданной автором работы [8].

 

3.4 Тестирование программы.

 

Для тестирования установки использовался образец Si-SiO2-Si3N4:  КЭФ-4.5, толщина слоя SiO2 ≈ 70A, слоя Si3N4 ≈ 1000A, площадь 0,0078 см2.

Проверка правильности работы программы осуществлялась следующим образом:

 

• На исследуемом образце была получена ВВФХ, при этом использовалась установка, которая была описана в первом разделе данной главы. Измерения проводились при помощи программного обеспечения созданного автором работы [9]. Программа построила график ВВФХ, приведён на рисунке 15.

 

Рис.15 ВВФХ МДП-структуры

 

Представленная ВВФХ была получена в темноте. В области обеднения достаточно отчётливо виден переход от неравновесной (от -10В до -1,5В) к равновесной части (от -1,5В до 0В). Наличие неравновесной части свидетельствует о том, что на этом образце можно наблюдать относительно длительную релаксацию ёмкости при переходе из неравновесного состояния в равновесное.

• Была запущена программа по измерению C(t) характеристик МДП-структур, созданная автором данной работы и описанная в разделе 4 данной главы, при начальных услових:

1) Начальное  напряжение(US(В)):  0 В

2) Выдержка(tЗ(с)):    0,5 с

3) Конечное  напряжение(UF(В)):  -5 В

4) Время  накопления(tН(с)):  10 с

5) Шаг  по времени(с):   0,05 с

6) Максимум  ВФХ:    414 пФ (необходимый для расчёта и взятый из ВВФХ, приведённой на рисунке 15)

7) Площадь затвора:    7е-3 (данный параметр также необходим для дальнейших расчётов)

 

После выполнения программы были получены:

1. график C(t) зависимости МДП-структуры (приведённый на рисунке 16)
2. файл с данными, в формате пригодном для обработки программой, разработанной автором работы [8].

 

Рис.16 C(t) характеристики МДП-структур.

 

• Файл, полученный в ходе выполнения программы, был обработан программой, созданной автором работы [8]. После обработки получились следующие результаты:

Время жизни неосновных носителей = 1,2*10-5 с

Скорость поверхностной генерации = 6,9*102 см/с

 

• После проведения измерений на созданной установке были проведены измерения на ранее уже существующей установке [8], [14]. Результатом эксперимента также стал файл с результатами измерений, которые были обработаны программой, созданной автором работы [8]. Результаты обработки:

Время жизни неосновных носителей = 1,3*10-5 с

Скорость поверхностной генерации = 3,2*101 см/с

 

В результате проведения тестирование было установлено, что значения генерационых параметров, рассчитанных от полученных на разных установках C(t) зависимостей, схожи. С другой стороны в соответствии с формулой связывающей время релаксации и время жизни: [1], можно вычислить расчетное время релаксации, c, которое имеем хорошее соответствие c экспериментальным временем релаксации, порядки единиц секунд. Это позволяет говорить о том, что написанное программное обеспечение работает правильно.

Было проведено исследование влияния параметров импульса обеднения на результат эксперимента, т.е. на C(t) зависимость МДП-структуры. Для проведения такого исследования на одном и том же образце задавались различные начальные условия, и проводилось измерение C(t) зависимости. Результаты данного тестирования приведены ниже.

Рассмотрим зависимость времени релаксации от амплитуды импульса обеднения, при фиксированном начальном значении импульса. На рисунке 17 приведены C(t) зависимости, полученные при различных амплитудах импульса обеднения. Начальное значение импульса обеднения было зафиксировано в точке VG = 0В, что соответствовало сильной инверсии.

 

Рис. 17 C(t) зависимость МДП-структуры при различной амплитуде импульса обеднения.

 

Исходя из полученных данных, можно составить таблицу зависимости времени релаксации, от амплитуды импульса обеднения:

 

Амплитуда (В)	Время релаксации (с)
1	4
2	8,5
3	13

 

Из таблицы видно, что увеличение амплитуды импульса обеднения влечёт за собой увеличение времени релаксации. Графически данная зависимость представлена на рисунке 18.

 

Рис. 18 Зависимости времени релаксации от амплитуды импульса обеднения.

 

Теперь рассмотрим влияние начального и конечного напряжения импульса обеднения при постоянной амплитуде данного импульса. На рисунке 19 приведены C(t) зависимости, полученные при различных значениях напряжений импульса обеднения, но при одинаковой амплитуде данного импульса.

 

Рис. 19 C(t) зависимости, полученные при различных значениях напряжений импульса обеднения.

 

По результатам измерения составлена таблица зависимости времени релаксации от начального напряжения импульса обеднения, при постоянной амплитуде данного импульса:

 

Начальное напряжение импульса обеднения (В)	Время релаксации (с)
0	6,7
-1	11
-2	13
-5	19

 

Исходы из результатов отраженных в таблице видно, что при уменьшении начального напряжения импульса обеднения время релаксации увеличивается.

На рисунке 20 представлены C(t) зависимости, полученные при разном времени задержки, т.е. при разном времени выдержки начального напряжения (US(В)) в импульсе обеднения и при постоянных значениях всех остальных параметров.

 

Рис. 20 C(t) зависимости, полученные при разном времени задержки.

 

Из полученного графика видно, что при уменьшении времени задержки, уменьшается и время релаксации. Т.к. при задержке в 1 с образец релаксировал в течение 7,4 с, а при задержке в 0,5 с в течение 6,6 с.

По окончанию тестирования можно сказать о том, что написанная программа работает правильно, а это означает то, что это программное обеспечение можно применять для получения C(t) зависимости МДП-структур. Правильность работы программы следует из того, что при исследовании одного и того же образца на разных установках с разным программным обеспечением были получены сходные результаты.

Преимуществом разработанного программного обеспечения является то, что оно разработано под новый контроллер. В отличие от адаптера НВЛ-03, контроллер NI-PCI-6221 имеет гораздо более широкие возможности. Большая разрядность АЦП (контроллер NI-PCI-6221 имеет 16-ти разрядный АЦП, а НВЛ-03 10-ти) позволяет повысить точность эксперимента. Встроенный, в контроллер NI-PCI-6221, генератор частоты, позволяет освободиться от использования внешнего генератора. Так же контроллер NI-PCI-6221 имеет возможность работать в большем диапазоне напряжений (до ±10 В), в отличие от адаптера НВЛ-03 (до ±5 В), что так же расширяет возможности для проведения экспериментов.

Заключение.

 

В ходе выполнения данной работы было реализовано:

1. Написано программное обеспечение в среде программирования LabVIEW, реализующее алгоритм получения семейства выходных ВАХ биполярного транзистора с помощью контроллера NI-PCI-6221.