SU1499240A1 - Емкостный мост - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области измерительной техники, преимущественно к емкостным мостам дл  релаксационной спектроскопии глубоких уровней в полупроводниках. Повышение быстродействи , точности измерений и упрощение практической реализации узлов достигаетс  за счет введени  в мост переменного резистора 3, второго фазочувствительного детектора 12, второго фильтра 13 нижних частот, генератора 15 напр жени  сдвига, второго сумматора 11. Балансировка сигналом обратной св зи по активной составл ющей осуществл етс  путем управлени  резистором в балансировочном плече моста, емкостной составл ющей- путем управлени  емкости образца сигналом обратной св зи, наложенным на напр жение обратного смещени . При этом мост балансируетс  не полностью и всегда остаетс  некоторой регулируемый "недобаланс" или "перебаланс" по стационарной составл ющей емкости, а тестовый сигнал на врем  действи  импульса заполнени  на мост не подаетс . 2 ил.

Description

4 СО Х N5 4

(J}l/e.f

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к емкостным мостам преимущественно дл  релаксационной спектроскопии глубоких уров- ней (РСГУ) в полупроводниках, и может быть использовано в приборостроении при изготовлении спектрометров РСГУ.

Цель изобретени  - повышение быст- родействи  точности измерени  и уп- рощение моста за счет уменьшени  длительности переходного процесса после импульса заполнени , исключени  вли ни  посто нной времени фазочувствивольт и частотой единицы мегагерц поступает на балансировочное плечо моста, состо щее из параллельно включенных переменного конденсатора 4 (нерегулируема  балансирующа  цепь) и управл емого резистора 3 (регулируема  балансирующа  цепь), например резистивного оптрона., и на измерительное плечо моста, к которому подсоединен образец 5, В стационарном режиме, когда на образец 5 подаетс  напр жение обратного смещени  без импульсов заполнени , сигнал на

тельных детекторов, исключени  актив-15 выходе усилител  8 сигнала разбаланной составл ющей из сигнала.

На фиг. 1 представлена структурна  схема емкостног.о моста; на фиг. 2 - диаграммы огибающей сигнала на выходе

усилител  и его среднее значение, ус-20 обратной св зи, измен ющей сопротивтановленное на выходе фильтра.

EMKOCTHbrii мост содержит элемент I блокировки тестового сигнала (например , ключ), вход Которого соединен с выходом генератора 2 тестового сигнала. Элемент 1 позвол ет отключать тестовый сигнал от моста, состо щего из переменных резистора 3 и конденсатора 4 и образца 5 контрол , В динамическом режиме в сумматоре 6, входы которого соединейы с выходом генератора 7 импульсов заполнени , на напр жение обратного смещени  накладываютс  импульсы заполнени .

Балансировочное и измерительное плечи моста подключены к входу первого усилител  8 сигнала, разбаланса, с выхода которого сигнал поступает на канал выделе ни  емкостной состав- л кщей, состо щий из последовательно включенных фазочувствительного детектора 9, фильтра 10 нижних частот, сумматора 11, на канал выделени  активной составл ющей, состо щий из последовательно включенных фазочувствительного детектора 12, фильтра 13 нижних частот и усилител  14. Выход генератора 15. напр жени  сдвига соединен с вторым входом сумматора 11, выход которого через усилитель 16 соединен с вторым входом сумматора 6, а выход усилител  14 соединен с регулируемым резистором 3. ,

Емкостньй мост работает следующим образом.

От генератора 2 тестового сигнала j име1СЕдего два противофазных выхода , тестовый сигнал синусоидальной формы с амплитудой дес тки миллиса пропорционален разности импедан- сов образца 5 и балансировочного плеча моста, канал выделени  активной составл ющей формирует сигнал

5

0

ление в балансировочном плече моста до практически полного баланса по активной составл ющей. Аналогично канал выделени  емкостной составл ющей формирует сигнал обратной св зи,  эл кщнйс  напр жением обратного смещени  образца, и балансирующий мост по емкостной составл ющей путем изменени  емкости образца. Однако в ОТЛИЧИВ от канала вьщелени  активной составл ющей сигнал обратной св зи.формируетс  из суммы сигналов емкости (выход фильтра 10) и напр жени  сдвига (выход генератора 15), поэтому балансировка осуществл етс  не полностью, а остаётс  определенный разбаланс, определ емый величиной напр жени  сдвига. Знак напр жени  сдвига определ ет недобаланс (емкость образца меньше эталонной емкости) или перебапанс (емкость образца больше эталонной емкости). Величина напр жени  сдвига выбираетс  так, чтобы сигнал на выходе уси- 5 лител  8 наход1шс  в середине динамического , диапазона усилител  и его устройств в последунхцей обработке в спектрометре СРГУ. В динамическом - режиме в сумматоре 6 на напр жение обратного смещени  накладываютс  импульсы заполнени , во врем  действи  которых элемент 1 отключает тестовый сигнал от моста. В си.гнале разбаланса по вл етс  емкостна  составл  о- ща , котора  интегрируетс  фильтром 10 и измен ет обратное смещение образца 5 так, что среднее значение сигнала на выходе ус11лител  8 остаетс  вблизи стационарного значени 

5

0

0

5

(середина динамического диапазона). Посто нна  времени цепи обратной св зи в обоих каналах выделени  составл ющих существенно больше посто нных времени релаксаций и выбираетс  так, чтобы обеспечивать слежение за медленными изменени ми стационарного импеданса образца и релаксирую- щей емкости, св занных с температур- ной разверткой образца, а быстро ре- лаксирующа  емкость модулирует сигнал разбаланса без искажений. При этом релаксационна  составл юща  может занимать больше половины динами- ческого диапазона и ее форма зависит от знака изменени  релаксирующей емкости образца. Измен   значение емкости в нерегулируемой балансирующей цепи и измен   напр жение обратного смещени  на образце, можно снимать С - V характеристику образца и проводить динамические измерени  при значени х емкости образца, оптимальных дл  определени  профил  глубоких уровней.

Таким образом, сигнал на выходе усилител  сигнала разбаланса содержит только емкостную составл ющую, причем знак его изменени  определ ет с  знаком релаксации образца. Это расшир ет область применени  устройства , поскольку дл  обработки сигнала емкости можно использовать спектрометры РСГУ на основе пикового детектора или синхродетектора с автосинхронизацией .

Дл  релаксационной составл кхцей используетс  больша  часть динамического диапазона измерительных устройств , причем малые релаксации наложены па сигнал вблизи середины динамического диапазона, а активна  составл юща  исключена из сигнала. Это повышает точность и чувствительность измерений по сравнению с известным мостом.

Посто нна  времени установлени  релаксационной емкости ограничена только быстродействием мостовой из- мерительной схемы и частотой тестового сигнала. Отключение тестового сигнала на врем  действи  импульса заполнени  предотвращает перегрузку измерительных устройств, св занную с резким изменением емкости образца при заполнении, и уменьшает длительность переходного процесса, что позвол ет регистрировать более быстрые

Q 5 0 5

О

0 5

5

0

5

релаксации и проводить измерени  на наиболее информативном у частке огибающей сразу после импульса заполне- ни . Эти обсто тельства повышают быстродействие измерений, а измерени  на начальном участке улучшают также и чувствительность.

К фазочувствительным детекторам 9 и 12, фильтрам 10 и 13 и усилител м 14 и 16 не предъ вл етс  жестких требований по линейности, динамическому диапазону, термостабильности, нестабильности фазы при синхронном детектировании, поскольку сигналы в каналах выделени  составл 1слцих не используютс  дл  измерени  емкости образца. Это упрощает техническую реализацию таких узлов по сравнению с известным мостом,

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Емкостный мост, содержащий генератор тестового сигнала с двум  противофазными выходами и двум  выходами опорных сигналов, первый из которых соединен с первым входом первого фазочувствительного детектора, переменный конденсатор, первьм вывод которого соединен с первым выходом источника тестового сигнала, перва  клемма дл  подключени  образца - с вторым выходом генератора тестового сигнала, первый , вход которого соединен с вторым выводом переменного конденсатора и второй клеммой дл  подключени  образца , а выход усилител  - с вторым входом первого фазочувстзительного детектора, первый сумматор, генератор импульсов заполнени , выход которого соединен с первым входом первого сумматора, а выход первого сумматора - с первой клеммой дл  подключени  образца, второй и третий усилители и первый фильтр, о т л и- ч а ю щ и и с   тем, что, с целью повышени  быстродействи , точности измерений и упрощени , введены переменный резистор, элемент блокировки- тестового сигнала, второй фазочувст- вительный детектор, второй фильтр, генератор напр жени  сдвига, второй сумматор, при этом переменньй резистор подключен параллельно переменному конденсатору, второй фазочувстви- тельный детектор,- первь й фильтр, второй усилитель соединены последовательно и включены между выходом первого усилител  и управл ющим входом переменного резистора, выход первого фазочувствительного детектора соединен с входом второго фильтра , выход второго фильтра - с первым входом второго сумматора, выход генератора напр жени  сдвига - с вторым входом второго сумматора, выход второго сумматора - с входом третьего усилител , выход которого соединен с вторым входом первого суммато1 ... 10 МГЦ I ,

   j L Зат/гненив

   | I

   ра, второй выход генератора импульсов заполнени  - с управлжощим входом элемента блокировки тестового сигнала, вход которого соединен с третьим выходом генератора тестового сигнала, выход - с управл ющим входом генератора тестового сигнала, второй выход опорного сигнала которого соединен с первым входом второго фазочувствительного детектора, второй вход второго фазочувствительного детектора - с выходом первого усилител .