Емкостный мост Советский патент 1989 года по МПК G01R17/10 

4 СО Х N5 4

(J}l/e.f

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

Цель изобретения - повышение быст- родействия точности измерения и уп- рощение моста за счет уменьшения длительности переходного процесса после импульса заполнения, исключения влияния постоянной времени фазочувствивольт и частотой единицы мегагерц поступает на балансировочное плечо моста, состоящее из параллельно включенных переменного конденсатора 4 (нерегулируемая балансирующая цепь) и управляемого резистора 3 (регулируемая балансирующая цепь), например резистивного оптрона., и на измерительное плечо моста, к которому подсоединен образец 5, В стационарном режиме, когда на образец 5 подается напряжение обратного смещения без импульсов заполнения, сигнал на

Изобретение относится к области измерительной техники, преимущественно к емкостным мостам для релаксационной спектроскопии глубоких уровней в полупроводниках. Повышение быстродействия, точности измерений и упрощение практической реализации узлов достигается за счет введения в мост переменного резистора 3, второго фазочувствительного детектора 12, второго фильтра 13 нижних частот, генератора 15 напряжения сдвига, второго сумматора 11. Балансировка сигналом обратной связи по активной составляющей осуществляется путем управления резистором в балансировочном плече моста, емкостной составляющей- путем управления емкости образца сигналом обратной связи, наложенным на напряжение обратного смещения. При этом мост балансируется не полностью и всегда остается некоторой регулируемый "недобаланс" или "перебаланс" по стационарной составляющей емкости, а тестовый сигнал на время действия импульса заполнения на мост не подается. 2 ил.

тельных детекторов, исключения актив-15 выходе усилителя 8 сигнала разбаланной составляющей из сигнала.

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

усилителя и его среднее значение, ус-20 обратной связи, изменяющей 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 позволяет отключать тестовый сигнал от моста, состоящего из переменных резистора 3 и конденсатора 4 и образца 5 контроля, В динамическом режиме в сумматоре 6, входы которого соединейы с выходом генератора 7 импульсов заполнения, на напряжение обратного смещения накладываются импульсы заполнения.

Балансировочное и измерительное плечи моста подключены к входу первого усилителя 8 сигнала, разбаланса, с выхода которого сигнал поступает на канал выделе ния емкостной состав- лякщей, состоящий из последовательно включенных фазочувствительного детектора 9, фильтра 10 нижних частот, сумматора 11, на канал выделения активной составляющей, состоящий из последовательно включенных фазочувствительного детектора 12, фильтра 13 нижних частот и усилителя 14. Выход генератора 15. напряжения сдвига соединен с вторым входом сумматора 11, выход которого через усилитель 16 соединен с вторым входом сумматора 6, а выход усилителя 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 десятки миллиса пропорционален разности импедан- сов образца 5 и балансировочного плеча моста, канал выделения активной составляющей формирует сигнал

5

0

ление в балансировочном плече моста до практически полного баланса по активной составляющей. Аналогично канал выделения емкостной составляющей формирует сигнал обратной связи, яэлякщнйся напряжением обратного смещения образца, и балансирующий мост по емкостной составляющей путем изменения емкости образца. Однако в ОТЛИЧИВ от канала вьщеления активной составляющей сигнал обратной связи.формируется из суммы сигналов емкости (выход фильтра 10) и напряжения сдвига (выход генератора 15), поэтому балансировка осуществляется не полностью, а остаётся определенный разбаланс, определяемый величиной напряжения сдвига. Знак напряжения сдвига определяет недобаланс (емкость образца меньше эталонной емкости) или перебапанс (емкость образца больше эталонной емкости). Величина напряжения сдвига выбирается так, чтобы сигнал на выходе уси- 5 лителя 8 наход1шся в середине динамического, диапазона усилителя и его устройств в последунхцей обработке в спектрометре СРГУ. В динамическом - режиме в сумматоре 6 на напряжение обратного смещения накладываются импульсы заполнения, во время действия которых элемент 1 отключает тестовый сигнал от моста. В си.гнале разбаланса появляется емкостная составля о- щая, которая интегрируется фильтром 10 и изменяет обратное смещение образца 5 так, что среднее значение сигнала на выходе ус11лителя 8 остается вблизи стационарного значения

5

0

0

5

(середина динамического диапазона). Постоянная времени цепи обратной связи в обоих каналах выделения составляющих существенно больше постоянных времени релаксаций и выбирается так, чтобы обеспечивать слежение за медленными изменениями стационарного импеданса образца и релаксирую- щей емкости, связанных с температур- ной разверткой образца, а быстро ре- лаксирующая емкость модулирует сигнал разбаланса без искажений. При этом релаксационная составляющая может занимать больше половины динами- ческого диапазона и ее форма зависит от знака изменения релаксирующей емкости образца. Изменяя значение емкости в нерегулируемой балансирующей цепи и изменяя напряжение обратного смещения на образце, можно снимать С - V характеристику образца и проводить динамические измерения при значениях емкости образца, оптимальных для определения профиля глубоких уровней.

Таким образом, сигнал на выходе усилителя сигнала разбаланса содержит только емкостную составляющую, причем знак его изменения определяет ся знаком релаксации образца. Это расширяет область применения устройства, поскольку для обработки сигнала емкости можно использовать спектрометры РСГУ на основе пикового детектора или синхродетектора с автосинхронизацией.

Для релаксационной составлякхцей используется большая часть динамического диапазона измерительных устройств, причем малые релаксации наложены па сигнал вблизи середины динамического диапазона, а активная составляющая исключена из сигнала. Это повышает точность и чувствительность измерений по сравнению с известным мостом.

Постоянная времени установления релаксационной емкости ограничена только быстродействием мостовой из- мерительной схемы и частотой тестового сигнала. Отключение тестового сигнала на время действия импульса заполнения предотвращает перегрузку измерительных устройств, связанную с резким изменением емкости образца при заполнении, и уменьшает длительность переходного процесса, что позволяет регистрировать более быстрые

Q 5 0 5

О

0 5

5

0

5

релаксации и проводить измерения на наиболее информативном у частке огибающей сразу после импульса заполне- ния. Эти обстоятельства повышают быстродействие измерений, а измерения на начальном участке улучшают также и чувствительность.

К фазочувствительным детекторам 9 и 12, фильтрам 10 и 13 и усилителям 14 и 16 не предъявляется жестких требований по линейности, динамическому диапазону, термостабильности, нестабильности фазы при синхронном детектировании, поскольку сигналы в каналах выделения составля1слцих не используются для измерения емкости образца. Это упрощает техническую реализацию таких узлов по сравнению с известным мостом,

Формула изобретения

Емкостный мост, содержащий генератор тестового сигнала с двумя противофазными выходами и двумя 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, первая клемма для подключения образца - с вторым выходом генератора тестового сигнала, первый , вход которого соединен с вторым выводом переменного конденсатора и второй клеммой для подключения образца, а выход усилителя - с вторым входом первого фазочувстзительного детектора, первый сумматор, генератор импульсов заполнения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, а выход первого сумматора - с первой клеммой для подключения образца, второй и третий усилители и первый фильтр, о т л и- ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия, точности измерений и упрощения, введены переменный резистор, элемент блокировки- тестового сигнала, второй фазочувст- вительный детектор, второй фильтр, генератор напряжения 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 усилителя и управляющим входом переменного резистора, выход первого фазочувствительного детектора соединен с входом второго фильтра, выход второго фильтра - с первым входом второго сумматора, выход генератора напряжения сдвига - с вторым входом второго сумматора, выход второго сумматора - с входом третьего усилителя, выход которого соединен с вторым входом первого суммато1... 10 МГЦ I ,

j L Зат/гненив

| I

ра, второй выход генератора импульсов заполнения - с управлжощим входом элемента блокировки тестового сигнала, вход которого соединен с третьим выходом генератора тестового сигнала, выход - с управляющим входом генератора тестового сигнала, второй выход опорного сигнала которого соединен с первым входом второго фазочувствительного детектора, второй вход второго фазочувствительного детектора - с выходом первого усилителя.