DD278042A3 - Voting procedure and equipment for capacity measuring bridges - Google Patents

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. FigurThe field of application of the invention is the measurement of the smallest changes in capacitance by means of capacitance measuring bridges, above all the capacitance spectroscopy of semiconductors. According to the invention, after inserting the sample, the charge and the impedance of the preamplifier input circuit are first reduced via the first control voltage, then the sample circuit is adjusted in a conventional manner, then the charge of the preamplifier input circuit is raised again by means of the first control voltage and then by means of the second , applied to the capacitance diode control voltage, the resonant frequency of the preamplifier input circuit changed to achieve the full balance. In the inventive tuning device between the preamplifier input and ground, a controllable resistor and a capacitance diode are connected in parallel. figure

Description

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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.Field of application of the invention is the measurement of smallest capacity changes by means of capacitance measuring bridges, especially the capacitance spectroscopy of semiconductors. Special advantages have their application in the so-called. Scanning DLTS method.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

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.For measuring the smallest capacitance or capacitance changes with high sensitivity, various types of measuring bridges are specified and put to practical use. The high demands that the capacitance spectroscopy on semiconductors, arrangements of the principle described in DD-PS 202,764 are largely fair, in which applied to one side of the sample, an AC voltage and on the other hand, the change of the alternating current associated with a change of Probenleitwerkes is detected by the sample is such that the sample is part of a tuned to the measuring frequency resonant circuit and the input capacitance of the preamplifier circuit is supplemented with an inductance to the measuring frequency tuned second resonant circuit ("parallel resonant arrangement".) The object of the adjustment of these arrangements consists of two parts, on the one hand the adjustment of the sample capacity and the grain compensation of the loss component - ie the adjustment of the resonant circuit containing the sample to minimum RF voltage at the preamplifier and on the other hand from the fine balance of the second resonant circuit at the preamplifier Ngang, which affects the sensitivity of the arrangement and also the phase position of the RF signal. Although the tuning state of this circuit is due geometriebingtingt different stray capacitances of the sample terminals to ground, so that a fine balance is required.

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.When changing samples, the sample circuit should be finely tuned to the capacitance and the loss content of the new sample, and then to the preamplifier input circuit, starting from the roughly adjusted in the preamplifier input circuit at the beginning of the measurements. In the usual Abdtimmverfahren affects adversely that due to the (especially at medium and large sample capacity) very sharply matched balance of the RF signal initially after the sample change - that is not even calibrated Prüfkreis- virtually the entire RF voltage at the preamplifier input and overrides this. This must be countered by reducing the RF voltage and / or the RF gain, this is the first requirement to be able to adjust the sample circuit.

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.The Hauotproblem in solving this subtask, however, is the existing in the previous parallel resonant bridge arrangements extensive independence of the RF signal from the balance state in the unbalanced state. In order to find the proximity of the tuning minimum, so far an intuitive approach is needed.

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.When the sample circuit is substantially balanced, the preamplifier input circuit is balanced to the maximum RF amplitude and phase, respectively, which is done in the prior art by manually adjusting the inductance at the preamplifier input to ground.

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.This procedure is very time consuming and user-friendly and requires a lot of experimental experience. In addition, with special DLTS variants such as the scanning DLTS method, the measuring arrangement is not easily accessible, a manual vote would - if ever feasible - here require an unreasonable design effort.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The aim of the invention is to provide a tuning method as well as its realization serving arrangement for capacitance bridges in parallel resonant arrangement, which allow a simple, largely error-free and fast operation and allow the use of the measuring bridge even in measurement tasks where it is not mechanically accessible.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to develop a tuning method and its realization serving arrangement for capacitance measuring bridges in parallel resonant arrangement, which contain no mechanical elements, the adjustment for a one-to-one dependent on the adjustment state signal and without interim change of the RF voltage and / or Reinforcement of the bridge should allow.

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.According to the invention, the object is achieved by providing a method and an arrangement which are distinguished by electronic influencing of both the frequency and the quality and thus sensitivity of the preamplifier input circuit, the arrangement according to the invention comprising a parallel connection of a controllable resistor and a capacitance diode Represents preamplifier input and ground.

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.The method is characterized in that initially reduced by the control voltage applied to the first control voltage, the quality and thus the impedance of the preamplifier input circuit, then adjusted in a conventional manner, the sample circuit, then increased by the first control voltage, the quality of the preamplifier input circuit again and then by means of second, applied to the capacitance diode control voltage, the resonance frequency of the preamplifier input circuit is changed until the full balance.

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.Reducing the quality of the preamplifier input circuit substantially reduces the sharpness of the trim minimum, thereby eliminating the main problem of sample matching, namely, the substantial independence of the RF signal from the trim state outside of the exact trim.

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.The arrangement is thus beyond the solution of the above-mentioned task suitable to set a reduced sensitivity of the measuring device in a simple and fast way - for example, for the measurement of samples of high capacitance change and thus to expand the scope of the measuring bridge.

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.As a controllable resistor, an FET can be selected; In an advantageous embodiment of the solution according to the invention, it is the same FET de in standard measuring bridges of the type described fulfills the function during and shortly after the application of voltage pulses to the sample short the preamplifier input, and there is otherwise out of service.

Ausführungsbeispielembodiment

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.In the figure, an expedient realization of the arrangement according to the invention is shown. The RF transformer 2 is designed to achieve a strong coupling as a quad-balun transformer with parallel, connected to the Hr generator 1 primary windings and separate secondary windings. The bias voltage for the sample 3 is supplied via an impedance converter 4, which implements the required RF short-circuit on the output side. Since no steep-flanked pulses have to be applied to the capacitance diode 5, the RF short-circuit is implemented there by a capacitor 6. The corresponding connection for the circular inductance 7 is directly connected to ground. The secondary winding for compensation of the loss component is so beschältet that via an electronically controllable resistor 8, a 180 ° phase-shifted RF current parallel to the sample circuit to the common terminal, the RF preamplifier 9 is supplied. Its input capacitance and stray capacitances to ground are compensated by a second inductor 10.

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.According to the invention, the field-effect transistor 11 controlled by the first control voltage U4 and the capacitance diode 12 connected to the second control voltage U5 are located between the preamplifier input and the ground. The connection of the control voltage U5 is short-circuited in the usual way with a capacitor 13 to ground HF-moderately. The control voltage U 4 is selected during and a gewissa time after a pulse of the sample bias voltage U1 in a known manner so that virtually a short circuit occurs at the preamplifier. During the DLTS measurement phase after the pulse and during the tuning process U 4 is set according to the invention so that the desired for the respective measurement or tuning task sensitivity of the device is achieved. Is U 4 chosen so that the field effect transistor 11 is high impedance and the Vorversiärkungskreise has a high quality, can be done according to the invention via the tuning voltage U 5, an optimization of the sensitivity of the arrangement or the phase position of the signal.

Claims (4)

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.1. tuning method for capacitance measuring bridges, wherein the sample is part of a tuned to the measuring frequency resonant circuit and the input capacitance of the preamplifier circuit is supplemented with an inductance matched to the measuring frequency, lying between preamplifier input and ground resonant circuit, characterized in that after inserting the sample first reduced via the voltage applied to the controllable resistor first control voltage cie quality and thus the impedance of the preamplifier input circuit, then adjusted in a conventional manner, the sample circuit, then increased by the first Steuparfnung the quality of the preamplifier input circuit again and then by means of the second, applied to the capacitance diode control voltage the resonance frequency of the preamplifier input circuit is changed until the complete adjustment is achieved. 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.2. Abstimmeinrichtung for capacitance measuring bridges, in which the sample is part of a tuned to the Meiifrequenz resonant circuit and the input capacitance of the preamplifier circuit is supplemented with an inductance matched to the measuring frequency, lying between preamplifier input and ground resonant circuit, characterized in that between preamplifier input and ground a controllable resistor and a varactor diode are connected in parallel. 3. Abstimmeinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der steuerbare Widerstand ein FET ist.3. Tuning device according to claim 2, characterized in that the controllable resistor is a FET. 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.4. Tuning device according to claim 3, characterized in that the controllable resistor is that FET, realized in conventional bridges of the type described, the short circuit of the preamplifier input immediately after applying a bias pulse to the sample.