Da die parallel zur Probe liegende Induktivität gleichstrommäßig durch einen Kondensator abgeblockt werden muß, entsteht dadurch ein parasitärer Serien-Resonanzkreis hoher Güte, der von den Vorspannungsimpulsen mit angeregt wird. Da sich dieser Kreis nicht wie der eigentliche Probenkreis durch temporären Kurzschluß am Vorverstärker-Eingang bedampfen läßt, führt dieser Effekt zu einem störenden Signal am Brückenausgang nach dem Anlegen von Vorspannungsimpulsen. Ein weiterer Nachteil besteht in der Schwierigkeit der Realisierung einer elektronischen Brückenabstimmung. Elektronisch regelbare Induktivitäten hoher Güte sind im MHz-Bereich nur schwer realisierbar. Die in der DD-PS 202764 vorgeschlagene Brückenabst'mmung über die Vorspannung der Probe hat nur eine begrenzte Einsatzfähigkeit, da man im allgemeinen die Brücke auch unabhängig von der Probenvorspannung abstimmen will. Die eigentlich naheliegende elektronische Abstimmung durch eine der Probe HF-mäßig parallelgeschaltete Kapazitätsdiode ist ebenfalls nicht uneingeschränkt realisierbar, da Vorspannungsimpulse an der Probe hier auch stets mit ander Kapazitätsdiode liegen würden. Dabei läßt es sich nicht prinzipiell vermeiden, daß während des Impulses Strom über die Kapazitätsdiode fließt, wodurch sich nach dem Impuls deren Vorspannung und damit auch der Brückenabgleich unkontrolliert ändern kann.Since the inductance lying parallel to the sample has to be blocked by a capacitor in terms of DC current, this produces a high-quality parasitic series resonant circuit, which is also excited by the bias pulses. Since this circuit can not be vaporized at the preamplifier input like the actual sample circuit by a temporary short circuit, this effect leads to a disturbing signal at the bridge output after the application of bias pulses. Another disadvantage is the difficulty of realizing electronic bridge tuning. Electronically controllable high-quality inductors are difficult to realize in the MHz range. The proposed in DD-PS 202764 Brückenab Stungsung on the bias of the sample has only a limited use, since you want to tune the bridge in general, regardless of the sample bias. The actually obvious electronic tuning by a sample HF-moderately parallel connected capacitance diode is also not fully feasible, since bias pulses on the sample would always be here with other capacitance diode. It can not be avoided in principle that during the pulse current flows through the capacitance diode, which can change uncontrollably after the pulse whose bias and thus the bridge balance.
Ziel dor ErfindungAim of the invention
Ziel der Erfindung ist es, eine hochempfindliche Anordnung zur Messung kleinster Kapazitätsänderungen von Proben anzugeben, die mit steilflankigen Vorspannungsimpulsen beaufschlagt werden, die im Vergleich zu bekannten Anordnungen eine Erweiterung der Meßmöglichkeiten und eine Verkürzung des Meßvorgange j erlaubt sowie einen geringeren Bauelemente- und Bedienungsaufwand erfordert.The aim of the invention is to provide a highly sensitive arrangement for measuring the smallest capacitance changes of samples which are acted upon by steep-sided bias pulses, which allows in comparison to known arrangements an extension of the measurement possibilities and a shortening of the measurement j and requires a lower component and operating costs.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bewährte Parallelresonanz-Brückenanordnung zu einer Anordnung weiterzuentwickeln, die sich durch kurze Relaxationszeit nach Anlegen steilflankiger Vorspannungsimpulse an die Probe (Meßobjekt) und durch die Möglichkeit des elektronischen Abgleiche unabhängig von der Probenvorspannung auszeichnet. Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Messung kleinster Kapazitätsänderungen, vorzugsweise für den Einsatz in der Kapazitätsspektroskopie von Halbleitern, bei der das mit einer Vorspannung beaufschlagte Meßobjekt, eine Kapazitätsdiode und eine Kreisinduktivität einseitig miteinander verbundene Elemente eines auf die Meßfrequenz abgestimmten Resonanzkreises zwischen dem Anschluß des HF-Signalgenerators und dem Eingang des HF-Vorverstärkers sind, dessen Wirkwiderstand durch eine zur Speisespannung des Resonanzkreises entgegengesetzt gepolte steuerbare HF-Stromquelle kompensiert wird; und bei der die Eingangskapazität des Vorverstärkers und Streukapazitäten gegen Masse mit einer zweiten Induktivität zwischen Eingang des VorverstärKers und Masse kompensiert sind gelöst, wobei erfindungsgemäß am Anschluß des HF-Signalgenerators 1 ein mindestens Dreifach-Balun-Übertrager 2 mit zusammengeschalteten Primär- und getrennten Sekundärwicklungen liegt, wobei die erste Sekundärwicklung mit dem Meßobjekt 3, die zweite Sekundärwicklung mit der Kapazitätsdiode 5 und die dritte Sekundärwicklung mit der Kreisinduktivität 7 verbunden ist, und die jeweils anderen Anschlüsse der Sekundärwicklungen HF-mäßig auf Masse gelegt sind.The invention has for its object to further develop the proven parallel resonant bridge arrangement to an arrangement that is characterized by short relaxation time after applying steep edge bias pulses to the sample (DUT) and the possibility of electronic balancing regardless of the sample bias. This object is achieved by an arrangement for measuring smallest capacity changes, preferably for use in the capacitance spectroscopy of semiconductors, in which the biased voltage, a capacitance diode and a circular inductance one-sided interconnected elements of a tuned to the measuring frequency resonant circuit between the terminal of the HF Signal generator and the input of the RF preamplifier whose effective resistance is compensated by an opposite polarity to the supply voltage of the resonant circuit controlled RF power source; and in which the input capacitance of the preamplifier and stray capacitances to ground are compensated with a second inductance between the input of the preamplifier and ground, according to the invention at the terminal of the RF signal generator 1 is at least a triple balun transformer 2 with interconnected primary and separate secondary windings , Wherein the first secondary winding is connected to the DUT 3, the second secondary winding to the capacitance diode 5 and the third secondary winding to the circular inductance 7, and the respective other terminals of the secondary windings are grounded to ground RF.
Mit Vorteil stellt eine vierte Sekundärwicklung, die in zu den übrigen Wicklungen entgegengesetzter Polung mit einem Anschluß an Masse liegt und mit dem zweiten über einen elektronisch steuerbaren Widerstand 8 mit dem Eingang des HF-Vorverstärkers 9 verbunden ist, die steuerbare HF-Stromquelle dar. Zur Erzielung des gewünschten Effektes ist es nötig, daß die Spannungen für das Meßobjekt und die Kapazitätsdiode niederohmig an die entsorechenden Anschlüsse gelegt sind, so daß HF-mäßig dort ein Kurzschluß gegen Masse realisiert ist. Nur dann können die Sekundäranschlüsse mit den Elementen des Probenkreises HF-mäßig als miteinander kurzgeschlossen angesehen werden und die Anordnung ist HF-mäßig der bekannten Parallelresonanz-Anordnung äquivalent. Durch die Möglichkeit der getrennten Zuführung der Vorspannung für das Meßobjekt und die Kapazitätsdiode und durch den Wegfall des Abblockkondensators an der Kreisinduktivität treten jedoch dieser gegenüber keine Nachteile mehr beim Anlegen steilflankiger Vorspannungsimpulse an das Meßobjekt auf, wenn in bekannter Weise während und eine gewisse Zeit nach dem Impuls der Eingang des HF-Vorverstärkers elektronisch kurzgeschlossen wird. Die Notwendigkeit der Kompensation des Verlustanteils ergibt sich aus der Forderung naoh hoher Empfindlichkeit der Anordnung, die eine hohe Verstärkung des HF-Vorverstärkers zur Voraussetzung hat, mit der dieser übersteuerungsgefährdet ist. Durch die getrennte Kompensation von Grundkapazität und Verlustantci! läßt sich - zumindest für die Meßfrequenz - die HF-Spannung am Eingang des HF-Vorverstärkers auch bei größerer Meßobjektkapazität exakt auf Null abgleichen.Advantageously, a fourth secondary winding, which is connected to the other windings of opposite polarity with one terminal to ground and is connected to the second via an electronically controllable resistor 8 to the input of the RF preamplifier 9, the controllable RF power source Achieving the desired effect, it is necessary that the voltages for the DUT and the capacitance diode are placed low resistance to the entsorechenden connections, so that HF-moderately there is realized a short circuit to ground. Only then can the secondary connections with the elements of the sample circuit be considered to be HF-moderately shorted together and the arrangement is HF-equivalent to the known parallel resonance arrangement. Due to the possibility of separate supply of the bias voltage for the DUT and the capacitance diode and the elimination of Abblockkondensators on the circular inductance but this no longer disadvantages when applying steep-edged bias pulses to the DUT, if in a known manner during and a certain time after the Pulse the input of the RF preamplifier is electronically shorted. The need for compensation of the loss component results from the requirement of high sensitivity of the arrangement, which requires a high gain of the RF preamplifier with which it is overdrive at risk. Due to the separate compensation of basic capacity and loss antic! can be - at least for the measuring frequency - the RF voltage at the input of the RF preamplifier even with larger Meßobjektkapazität exactly equal to zero.
Ausführungsbeispielembodiment
In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Anordnung in einer zweckmäßigen Ausführung dargestellt. Der Vierfach-Balun-Übertrager 2 ist mit parallelgeschalteten, mit dem HF-Signalgenerator 1 verbundenen Primärwicklungen und getrennten Sekundärwicklungen ausgeführt. Die Vorspannung für das Meßobjekt 3 wird über einen Impedanzwandler 4 zugeführt, der ausgangsseitig den erforderlichen HF-Kurzschluß realisiert. Da an die Kapazitätsdiode 5 keine steilflankigen Impulse gelegt wsrden müssen, ist dort der HF-Kurzschluß durch einen Kondensator 6 realisiert. Der entsprechende Anschluß für die Kreisinriuktivität 7 liegt direkt an Masse. Die Sekundärwicklung zur Kompensation des Verlustanteiles ist so beschaltet, daß über einen f lektronisch steuerbaren Widerstand 8 ein 180° phasenverschobener HF-Strom parallel zum Meßobjekt dam Eingang des HF-Vorverstärkers 9 zugeführt wird. Dessen Eingangskapazität und Streukapazitäten gegen Masse werden von einer zweiten Induktivität 10 kompensiert. Um eine kurze Relaxationszeit nach Vorspannungsimpulsen zu erreichen, ist in bekannter Weise ein elektronischer Schalter 11 vorgesehen, der während und eine gewisse Zeit nach dem Impuls den Eingang des HF-Vorverstärkers 9 kurzschließt. Das HF-Ausgangssignal Ua des Vorverstärkers 9 ist dann in üblicher Weise mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter verbunden, der das der Kapazitätsänderung des Meßobjekts 3 proportionale Signal liefert.In the drawing, the arrangement according to the invention is shown in an expedient embodiment. The quad balun transformer 2 is designed with parallel-connected, connected to the RF signal generator 1 primary windings and separate secondary windings. The bias voltage for the measurement object 3 is supplied via an impedance converter 4, which implements the required RF short-circuit on the output side. Since no steep-angle pulses need to be applied to the capacitance diode 5, the HF short-circuit is implemented there by a capacitor 6. The corresponding connection for the Kreisinriuktivität 7 is directly connected to ground. The secondary winding to compensate for the loss component is connected so that a 180 ° phase-shifted RF current is fed parallel to the object under test dam input of the RF preamplifier 9 via a f electronically controllable resistor 8. Its input capacitance and stray capacitances to ground are compensated by a second inductor 10. In order to achieve a short relaxation time after bias pulses, an electronic switch 11 is provided in known manner, which shorts the input of the RF preamplifier 9 during and a certain time after the pulse. The RF output signal Ua of the preamplifier 9 is then connected in the usual way with a phase-sensitive rectifier, which provides the capacitance change of the measuring object 3 proportional signal.