Емкостный мост

. 733 (088ое свидекл. Н 01 ельство СССР 21/66, 1985 эксперимента,техника 178-18 олностью сируется не ается некот ал ан с или ой составля мост балан всегда ос мый недо областиществен -ей емкости, а я действия имстационартестовый кс гнал на в внеи ыстро упро ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ПЮТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБР(71) Специалское бюро радтута ядерной(56) АвторскВ 133315 7,Приборы и1985, У 5, с зированное конструкториационной техники Инстфизики АН УЗССР(5 7) Изобретение относитсяизмерительной техники, преино к емкостным мостам для р иной спектроскопии глубоких полупроводниках. Повышениеействия, точности измерений О 1499240 щение практической реализации узловдостигается за счет введения в иостпеременного резистора 3, второго фазочувствительного детектора 12, второго фильтра 13 нижних частот, генератора 5 напряжения сдвига, второгосумматора 11. Балансировка сигналовобратной связи по активной составляющей осуществляется путем управлениярезистором в балансировочном плечемоста, емкостной составляющей - путемуправления емкости образца сигналомобратной связи, наложенным на напряжение обратного смещения. При этом орыи регулируе- а"перебаланс по ульса заполнения на мост не подаетя, 2 ил,Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостныммостам преимущественно для релаксационной спектроскопии глубоких уров 5ней (РСГУ) в полупроводниках, и можетбыть использовано в приборостроениипри изготовлении спектрометров РСГУ,Цель изобретения - повышение. быстродействия точности измерения и уп)рощение моста за счет уменьшения длительности переходного процесса послеимпульса заполнения, исключения влияния постоянной времени фазочувствительных детекторов, исключения актив" 15ной составляющей из сигнала.На фиг. 1 представлена структурнаясхема емкостного моста; на фиг. 2диаграммы огибающей сигнала на выходеусилителя и его среднее значение, установленное на выходе фильтра,Емкостный мост содержит элемент 1блокировки тестового сигнала (например, ключ), вход которого соединен с выходом генератора 2 тестовогосигнала. Элемент 1 позволяет отключать тестовый сигнал от моста, состоящего из переменных резистора 3 иконденсатора 4 и образца 5 контроля.В динамическом режиме в сумматоре 6, 30входы которого соединеНы с выходомгенератора 7 импульсов заполнения,на напряжение обратного смещениянакладываются импульсы заполнения,Балансировочное и измерительное 35ппечи моста подключены к входу первого усилителя 8 сигнала разбаланса,с выхода которого сигнал поступаетна канал выделения емкостной составляющей, состоящий из последовательно 40включенных Фазочувствительного детектора 9, фильтра 10 нижних частот,сумматора 11, на канал выделения активной составляющей, состоящий изпоследовательно включенных фазочувствительного детектора 12, Фильтра13 нижних частот и усилителя 14. Выход генератора 15. напряжения сдвигасоединен с вторым входом сумматора11, выход которого через усилитель16 соединен с вторым входом сумматора 6, а выход усилителя 14 соединенс регулируемым резистором 3,Емкостный мост работает следующимобразом. 55От генератора 2 тестового сигна-.ла, имеющего два противофаэных выхода, тестовый сигнал синусоидальнойФормы с амплитудой десятки милливольт и частотой единицы мегагерцпоступает на балансировочное плечомоста, 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 которомуподсоединен образец 5. В стационарном режиме, когда на образец 5 подается напряжение обратного смещениябез импульсов заполнения, сигнал навыходе усилителя 8 сигнала разбаланса пропорционален разности импедансов образца 5 и балансировочногоплеча моста, канал выделения активной составляющей формирует сигналобратной связи, изменяющей сопротивление в балансировочном плече мостадо практически полного баланса поактивной составляющЕй Аналогичноканал выделения емкостной составляющей Формирует сигнал обратной связи,яВляющийся напряжением обратного смещения образца, и балансирующий мостпо емкостной составляющей путем изменения емкости образца. Однако вотличие от канала выделения активной составляющей сигнал обратнойсвязи. формируется из суммы сигналовемкости (выход Фильтра 10) и напря -жения сдвига (выход генератора 15),поэтому балансировка оСуществляетсяне полностью, а остается определенный разбаланс, определяемый величиной напряжения сдвига. Знак напряжения сдвига определяет "недобаланс"(емкость образца меньше эталоннойемкости) или "перебаланс (емкостьобразца больше эталонной емкости).Величина напряжения сдвига выбирается так, чтобы сигнал на выходе усилителя 8 находился в середине динамического. диапазона усилителя и егоустройств в последующей обработке вспектрометре СРГУ. В динамическомрежиме в сумматоре 6 на напряжениеобратного смещения накладываются импульсы заполнения, во время действиякоторых элемент 1 отключает тестовыйсигнал от моста. В сигнале разбаланса появляется емкостная составляющая, которая интегрируется Фильтром1 О и изменяет обратное смещение образца 5 так, что среднее значениесигнала на выходе усилителя 8 остается вблизи стационарного значения,(середина динамического диапазона).Постоянная времени цепи обратнойсвязи в обоих каналах выделения составляющих существенно больше. постоянных времени релаксаций и выбирается так, чтобы обеспечивать слежениеза медленными изменениями стационарного импеданса образца и релаксирующей емкости, связанных с температурной разверткой образца, а быстро ре -лаксирующая емкость модулирует сигнал разбаланса без искажений. Приэтом релаксационная составляющая может занимать больше половины динами-ческого диапазона и ее форма зависитот знака изменения релаксирующей емкости образца, Изменяя значение емкости в нерегулируемой балансирующейцепи и изменяя напряжение обратногосмещения на образце, можно сниматьС - Ч характеристику образца и проводить динамические измерения призначениях емкости образца, оптимальных для определения профиля глубокихуровней,Таким образом, сигнал на выходеусилителя сигнала разбаланса содержит только емкостную составляющую,причем знак его изменения определяется знаком релаксации образца. Эторасширяет область применения устройства, поскольку для обработки сигнала емкости можно использовать спектрометры РСГУ на основе пикового детектора или синхродетектора с автосинхронизацией,Для релаксационной составляющейиспользуется большая часть динамического диапазона измерительных устройств, 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 образцаЭто 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, 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 суммато", генератор импульсов заполнения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, а выход первого сумматора - с первой клеммой для подключения образца, второй и третийусилители и первый фильтр, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения быстродействия, точностиизмерений и упрощения, введены переменный резистор, элемент блокировкитестового сигнала, второй фазочувствительныйдетектор, второй фильтр,генератор напряжения сдвига, второйсумматор, при этом переменный резистор подключен параллельно переменному конденсатору, второй фазочувствительный детектор, первый фильтр,второй усилитель соединены последо499240 Составитель В.Семенчукедактор И.Горная Техред М,Ходанич Корректор М.Максимишине Подписно аказ 4685/42 Тираж, 713 НИИПИ Государственного комитет 113035, Москва, ГКНТ СССР по изобре -35, Рауш ниям и открытия ая наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. ина,101 вательно и включены между выходом первого усилителя и управлякицим вхо. дом переменного резистора, выходчпервого 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 5сигнала, вход которого соединен стретьим выходом генератора тестовогосигнала, выход - с управляющим входом генератора тестового сигнала,второй выход опорного сигнала которого соединен с первым входом второго фазочувствительного детектора,второй вход второго фазочувствитель. ного детектора - с выходом первогоусилителя.