DD278042A3

DD278042A3 - Abstimmverfahren und -Einrichtung für Kapazitätsmessbrücken

Info

Publication number: DD278042A3
Application number: DD30876587A
Authority: DD
Inventors: Otwin Breitenstein; Ekkehard Heinze
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-11-06
Filing date: 1987-11-06
Publication date: 1990-04-25
Also published as: GB2212280A; JPH01150867A; DE3828856A1; GB2212280B; GB8818946D0

Abstract

Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Messung kleinster Kapazitaetsaenderungen mittels Kapazitaetsmessbruecken, vor allem die Kapazitaetsspektroskopie von Halbleitern. Erfindungsgemaess wird nach Einlegen der Probe zunaechst ueber die an den steuerbaren Widerstand angelegte erste Steuerspannung die Guete und damit die Impedanz des Vorverstaerkereingangskreises verringert, anschliessend auf herkoemmliche Weise der Probenkreis abgeglichen, daraufhin mittels der ersten Steuerspannung die Guete des Vorverstaerkereingangskreises wieder erhoeht und daraufhin mittels der zweiten, an der Kapazitaetsdiode anliegenden Steuerspannung die Resonanzfrequenz des Vorverstaerkereingangskreises bis zur Erreichung des vollstaendigen Abgleichs veraendert. Bei der erfindungsgemaessen Abstimmeinrichtung sind zwischen Vorverstaerkereingang und Masse ein steuerbarer Widerstand und eine Kapazitaetsdiode parallelgeschaltet. Figur

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Messung kleinster Kapazitätsanderungen mittels Kapazitätsmeßbrücken, vor allem die Kapazitä'sspektroskopie von Halbleitern. Besondere Vorteile hat ihre Anwendung bei der sog. Scanning-DLTS-Methode.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Messung kleinster Kapazitäten bzw. Kapazitätsänderungen mit hoher Empfindlichkeit werden verschiedene Arten von Meßbrücken angegeben und praktisch eingesetzt. Den hohen Anforderungen, die die Kapazitätsspektroskopie an Halbleitern stellt, werden Anordnungen des in der DD-PS 202,764 beschriebenen Prinzips weitgehend gerecht, bei denen an einer Seite der Probe eine Wechselspannung angelegt und auf der anderen Seite die mit einer Änderung des Probenleitwerkes verbundene Änderung des Wechselstromes durch die Probe nachgewiesen wird derart, daß die Probe Teil eines auf die Meßfrequenz abgestimmten Schwingkreises ist und die Eingangskapazität der Vorverstärkerschaltung mit einer Induktivität zu einem auf die Meßfrequenz abgestimmten zweiten Schwingkreis ergänzt ist („Parallelresonanz-Anordnung"). Die Aufgabe des Abgleichs dieser Anordnungen besteht aus zwei Teilen, einerseits dem Abgleich der Probenkapazität und der Kornpensation des Verlustanteils - also dem Abgleich des die Probe enthaltenden Schwingkreises auf minimale HF-Spannung am Vorverstärker und andererseits aus dem Feinabgleich des zweiten Schwingkreises am Vorverstärkereingang, der die Empfindlichkeü der Anordnung und auch die Phasenlage des HF-Signals beeinflußt. Der Abstimmzustand dieses Kreises wird zwar durch geometriebedingt unterschiedliche Streukapazitäten der Probenanschlüsse gegen Masse, so daß ein Feinabgleich erforderlich ist.

Bei Probenwechsel ist - ausgehend vom zu Beginn der Messungen grob abgeglichen in Vorverstärkereingangskreis - der Probenkreis auf die Kapazität und den Verlustanteil der neuen Probe und danach der Vorverstärkereingangskreis fein abzustimmen. Bei dem üblichen Abdtimmverfahren wirkt sich nachteilig aus, daß infolge des (vor allem bei mittlerer und großer Probenkapazität) sehr scharf ausgeprägten Abgleichminimums des HF-Signals zunächst nach dem Probenwechsel - also bei noch nicht abgeglichenem Probenkreis- praktisch die gesamte HF-Spannung am Vorverstärkereingang liegt und diesen übersteuert. Dem muß durch Verringurung der HF-Spannung und/oder der HF-Verstärkung begegnet werden, dies ist die erste Voraussetzung, um den Probenkreis abgleichen zu können.

Das Hauotproblem bei der Lösung dieser Teilaufgabe ist jedoch die bei den bisherigen Parallelresonanz-Brückenanordnungen vorhandene weitgehende Unabhängigkeit des HF-Signals vom Abgleichzustand im unabgeglichenen Zustand. Um die Nähe des Abstimminimums zu finden, ist daher bisher ein intuitives Vorgehen nötig.

Wenn der Probenkreis im wesentlichen abgeglichen ist, wird der Vorverstärkereingangskreis auf maximale HF-Amplitude bzw. optimale Phasenlage fei.i abgeglichen, was beim Stand der Technik durch manuellen Abgleich der Induktivität am Vorverstärkereingang gegen Masse erfolgt.

Dieses Vorgehen ist sehr zeit- und bedienaufwendig und setzt zudem eine große experimentelle Erfahrung voraus. Bei speziellen DLTS-Varianten wie der Scanning-DLTS-Methode ist zudem die Meßanordnung gar nicht ohne weiteres zugänglich, eine manuelle Abstimmung würde - wenn überhaupt realisierbar - hier einen unvertretbaren Konstruktionsaufwand erfordern.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Abstimmverfahren sowie eine seiner Realisierung dienende Anordnung für Kapazitätsmeßbrücken in Parallelresonanz-Anordnung anzugeben, die eine einfache, weitgehend fehlerfreie und schnelle Bedienung ermöglichen und den Einsatz der Meßbrücke auch bei Meßaufgaben erlauben, wo sie mechanisch nicht zugänglich ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abstimmverfahren und eine seiner Realisierung dienende Anordnung für Kapazitätsmeßbrücken in Parallelresonanz-Anordnung zu entwickeln, die keine mechanischen Elemente enthalten, den Abgleich nach einem eineindeutig vom Abgleichzustand abhängigen Signal und ohne zwischenzeitliche Veränderung der HF-Spannung oder/und -Verstärkung der Brücke erlauben soll.

Erfindungsgempß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Verfahren und eine Anordnung angegeben werden, die sich durch elektronische Beeinflussung sowohl der Frequenz als auch der Güte und damit Empfindlichkeit des Vorverstärkereingangskreises auszeichnen, wobei die erfindungsgemäß.} Anordnung eine Parallelschaltung eines steuerbaren Widerstandes und einer Kapazitätsdiode zwischen Vorverstärkereingang und Masse darstellt.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst über die an den steuerbaren Widerstand angelegte erste Steuerspannung die Güte und damit die Impedanz des Vorverstärkereingangskreises verringert, anschließend auf herkömmliche Weise der Probenkreis abgeglichen, daraufhin mittels der ersten Steuerspannung die Güte des Vorverstärkereingangskreises wieder erhöht und daraufhin mittels der zweiten, an der Kapazitätsdiode anliegenden Steuerspannung die Resonanzfrequenz des Vorverstärkereingangskreises bis zur Erreichung des vollständigen Abgleichs verändert wird.

Mit der Verringerung der Güte des Vorverstärkereingangskreises wird die Schärfe des Abgleichminimums wesentlich verringert, wodurch das Hauptproblem des Probenabgleichs, nämlich die weitgehende Unabhängigkeit des HF-Signals vom Abgleichzustand außerhalb des exakten Abgleichs, behoben wird.

Die Anordnung ist damit über die Lösung der genannten Aufgabe hinaus dazu geeignet, auf einfache und schnelle Weise eine verringerte Empfindlichkeit der Meßanordnung einzustellen - etwa für die Messung von Proben hoher Kapazitätsänderung und damit die Einsatzbreite der Meßbrücke zu erweitern.

Als steuerbarer Widerstand kann ein FET gewählt werden; in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist es derselbe FET, de in üblichen Meßbrücken der beschriebenen Art die Funktion erfüllt, während und kurz nach dem Anlegen von Spannungsimpulsen an die Probe den Vorverstärkereingang kurzzuschließen, und der dort ansonsten außer Betrieb ist.

Ausführungsbeispiel

In der Abbildung ist eine zweckmäßige Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Der HF-Übertrager 2 ist zur Erzielung einer starken Kopplung als Vierfach-Balun-Übertrager mit parallelgeschalteten, mit dem Hr-Generator 1 verbundenen Primärwicklungen und getrennten Sekundärwicklungen ausgeführt. Die Vorspannung für die Probe 3 wird über einen Impedanzwandler 4 zugeführt, der ausgangsseitig den erforderlichen HF-Kurzschluß realisiert. Da an die Kapazitätsdiode 5 keine steilflankigen Impulse gelegt werden müssen, ist dort der HF-Kurzschluß durch einen Kondensator 6 realisiert. Der entsprechende Anschluß für die Kreisinduktivität 7 liegt direkt an Masse. Die Sekundärwicklung zur Kompensation des Verlustanteiles ist so beschältet, daß über einen elektronisch steuerbaren Widerstand 8 ein 180° phasenverschobener HF-Strom parallel zum Probenkreis dem gemeinsamen Anschluß das HF-Vorverstärkers 9 zugeführt wird. Dessen Eingangskapazität und Streukapazitäten gegen Masse wenden von einer zweiten Induktivität 10 kompensiert.

Erfiridungsgemäß befinden sich zwischen Vorverstärkereingang und Masse der von der ersten Steuerspannung U4 gesteuerte Feldeffekttransistor 11 und die· mit der zweiten Steuerspannung U 5 verbundene Kapazitätsdiode 12. Der Anschluß der Steuerspannung U 5 ist in üblicher Weise mit einem Kondensator 13 gegen Masse HF-mäßig kurzgeschlossen. Die Steuerspannung U 4 wird während und eine gewissa Zeit nach einem Impuls der Probenvorspannung U1 in bekannter Weise so gewählt, daß am Vorverstärkereinpang praktisch ein Kurzschluß entsteht. Während der DLTS-Meßphase nach dem Impuls und während des Abstimmvorganges wird U 4 erfindungsgemäß so eingestellt, daß die für die jeweilige Meß- oder Abstimmaufgabe gewünschte Empfindlichkeit der Anordnung erreicht wird. Ist U 4 so gewählt, daß der Feldeffekttransistor 11 hochohmig ist und der Vorversiärkungskreise eine hohe Güte aufweist, kann über die Abstimmspannung U 5 erfindungsgemäß eine Optimierung der Empfindlichkeit der Anordnung bzw. der Phasenlage des Signals erfolgen.

Claims

1. Abstimmverfahren für Kapazitätsmeßbrücken, bei denen die Probe Teil eines auf die Meßfrequenz abgestimmten Schwingkreises ist und die Eingangskapazität der Vorverstärkerschaltung mit einer Induktivität zu einem auf die Meßfrequenz abgestimmten, zwischen Vorverstärkereingang und Masse liegenden Schwingkreis ergänzt ist, gekennzeichnet dadurch, daß nach Einlegen der Probe zunächst über die an den steuerbaren Widerstand angelegte erste Steuerspannung cie Güte und damit die Impedanz des Vorverstärkereingangskreises verringert, anschließend auf herkömmliche Weise der Probenkreis abgeglichen, daraufhin mittels der ersten Steuersparfnung die Güte des Vorverstärkereingangskreises wieder erhöht und daraufhin mittels der zweiten, an der Kapazitätsdiode anliegenden Steuerspannung die Resonanzfrequenz des Vorverstärkereingangskreises bis zur Erreichung des vollständigen Abgleichs verändert wird.

2. Abstimmeinrichtung für Kapazitätsmeßbrücken, bei denen die Probe Teil eines auf die Meiifrequenz abgestimmten Schwingkreises ist und die Eingangskapazität der Vorverstärkerschaltung mit einer Induktivität zu einem auf die Meßfrequenz abgestimmten, zwischen Vorverstärkereingang und Masse liegenden Schwingkreis ergänzt ist, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Vorverstärkereingang und Masse ein steuerbarer Widerstand und eine Kapazitätsdiode parallelgeschaltet sind.

3. Abstimmeinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der steuerbare Widerstand ein FET ist.

4. Abstimmeinrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß der steuerbare Widerstand derjenige FET ist, der in üblichen Brücken der beschriebenen Art den Kurzschluß des Vorverstärkereingangs unmittelbar nach Anlegen eines Vorspannungsimpulses an die Probe realisiert.