Емкостный мост

 

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 составляющейпутем 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

° РЕСПУБЛИК (5! ) 4 G 0 ) R 1 7/10

t

/

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2! ) 4295701/24 — 21 (22) 06. 08. 87 (46) 07.08. 89. Бюп. М 29

°

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ КНТ СССР (71) Специализированное конструкторское бюро радиационной техники Института ядерной физики АН УЗССР (72) О.Р,Журавлев и У..А.Шакиров (53) 621.317.733(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N9 133315 7, кл. Н 01 L 21/66, 1985.

Приборы и техника эксперимента.

1985, Ф 5, с, 178-181. (54) ЕМКОСТНЫЙ МОСТ (5 7) Изобретение относится к области измерительной техники, преимуществен— но к емкостным мостам для релаксационной спектроскопии глубоких уровней в полупроводниках. Повышение быстродействия, точности измерений и упро„„SU„„1499240 А 1

2 щение практической реализации узлов достигается з а счет введения в иост переменного резистора 3, второго фазочувствительного детектора 12, второго фильтра 13 нижних частот, генератора 15 напряжения сдвига, второго сумматора 11, Балансировка сигналов обратной связи по активной составляющей осуществляется путем управления резистором в балансировочном плече моста, емкостной составля ощей — путем управления емкости образца сигналом обратной связи, наложенным на напряжение обратного смещения. При этом мост балансируется не полностью и всегда остается некоторый регулируемый недобаланс или "перебаланс" по стационарной составляющей емкости, а тестовый сигнал на время действия импульса заполнения на мост не подается, 2 ил, 1499240

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

Цель изобретения — повышение. быстродействия точности измерения и ynl рощение моста за счет уменьшения длительности переходного процесса после импульса заполнения, исключения влияния постоянной времени фазочувствительных детекторов, исключения актив- 15 ной составляющей из сигнала.На фиг. 1 представлена структурная схема емкостного моста; на фиг. 2 диаграммы огибающей сигнала на выходе усилителя и его среднее значение, ус- 20 тановленное на выходе фильтра.

Емкостный мост содержит элемент 1 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 соединеНы с выходом генератора 7 импульсов заполнения, на напряжение обратного смещения накладываются импульсы заполнения.

Балансировочное и измерительное ппечи моста подключены к входу первого усилителя 8 сигнала разбаланса, с выхода которого сигнал поступает на канал выделения емкостной составляющей, состоящий из последовательно 40 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

1l, выход которого через усилитель

16 соединен с вторым входом сумматора 6, а выход усилителя 14 соединен с регулируемым резистором 3.

Емкостный мост работает следующим образом. 55

От генератора 2 тестового сигна-. ла, имеющего два противофаэных выхода, тестовый сигнал синусоидальной формы с амплитудой десятки милливольт и частотой единицы мегагерц поступает на балансировочное плечо моста, состоящее иэ параллельно включенных переменного конденсатора 4 (нерегулируемая балансирующая цепь) и управляемого резистора 3 (регулируемая балансирующая цепь), например реэистивного 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 выходе усилителя 8 сигнала разбаланса пропорционален разности импедансов образца 5 и балансировочного плеча моста, канал выделения активной составляющей формирует сигнал обратной связи, изменяющей сопротивление в балансировочном плече моста до практически полного баланса по активной составляющей. Аналогично канал выделения емкостной составляющей формирует сигнал обратной связи, яВляющийся напряжением обратного смещения образца, и балансирующий мост по емкостной составляющей путем изменения емкости образца. Однако в отличие от канала выделения активной составляющей сигнал обратной связи. формируется из суммы сигналов емкости {выход фильтра 10) и напря— жения сдвига (выход генератора 15), поэтому балансировка оСуществляется не полностью, а остается определенный разбаланс, определяемый величиной напряжения сдвига. Знак напряжения сдвига определяет "недобаланс" (емкость образца меньше эталонной емкости) или "перебаланс (емкость образца больше эталонной емкости).

Величина напряжения сдвига выбирается так, чтобы сигнал на выходе усилителя 8 находился в середине динамического. диапазона усилителя и его устройств в последующей 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 сигнале разбаланса появляется емкостная составляющая, которая интегрируется фильтром

10 и изменяет обратное смещение образца 5 так, что среднее значение сигнала на выходе усилителя 8 остается вблизи стационарного значения, 1499240

55 (середина динамического диапазона).

Постоянная времени цепи обратной связи в обоих каналах выделения составляющих существенно больше постоянных времени релаксаций и выбирается т ак, чтобы обеспечивать слежение за медленными изменениями стационарного импеданса образца и релаксирую— щей емкости, связанных с температурной 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 вЂ” V характеристику образца и проводить динамические измерения при значениях емкости. образца, оптималь— ных 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 составляющей используется большая часть динамического диапазона измерительных уст— ройств, причем малые релаксации на— ложены на 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 измерительной 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 длитель— ность переходного процесса, что позволяет регистрировать более быстрые релаксации и проводить измерения на наиболее информативном участке огибающей сразу после импульса заполнения. 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 составляющих не используются для измерения емкости образца ° Это упрощает техническую реализацию таких узлов по сравнению с известным мостом.

Формула изобретения

Емко стный мо ст, содержащий генератор тестового сигнала с двумя противофазными выходами и двумя выходами опорных сигналов, первый из которых соединен с первым входом первого фазочувствитель ого детектора, переменный конденсатор, первый вывод которого соединен с первым выходом источника тестового сигнала, первая клемма для подключения образца — с вторым выходом генератора тестового сигнала, первый усилитель, вход которого соединен с вторым выводом переменного конденсатора и второй клеммой для подключения образца, а выход усилителя — с вторым входом первого фазочувствительного 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 ич а юшийся тем, что, с целью повышения быстродействия, точности измерений и упрощения, введены переменный резистор, элемент блокировки тестового сигнала, второй фазочувствительный детектор, второй фильтр, генератор напряжения сдвига, второй сумматор, при этом переменный резистор подключен параллельно переменному конденсатору, второй фазочувствительный детектор, первый фильтр, второй усилитель соединены последоI 499240

Ц (6) Составитель В.Семенчук

Редактор И. Горная Техред М.Xоданич

Корректор М.Максимишинец

Заказ 4685/42 Тираж, 713 Подписное

BHHHIIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,101 вательно и включены между выходом первого усилителя и управлякщим входом переменного резистора, выход первого фазочувствительного детектора соединен с входом второго фильт" ра, 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 сумматора, второй выход генератора импульсов заполнения — с управляющим входом элемента блокировки тестового

5 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.