DE3828856A1

DE3828856A1 - Abstimmverfahren und -einrichtung fuer kapazitaetsmessbruecken

Info

Publication number: DE3828856A1
Application number: DE3828856A
Authority: DE
Inventors: Otwin Breitenstein; Ekkehard Heinze
Original assignee: Akademie der Wissenschaften der DDR
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1987-11-06
Filing date: 1988-08-25
Publication date: 1989-05-18
Also published as: GB2212280A; DD278042A3; JPH01150867A; GB8818946D0; GB2212280B

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Messung kleinster Ka pazitätsänderungen mittels Kapazitätsmeßbrücken, vor allem die Kapazitätsspektroskopie von Halbleitern. Besonders Vor teile hat ihre Anwendung bei der sog. Scanning-DLTS-Methode.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Messung kleinster Kapazitäten bzw. Kapazitätsänderungen mit hoher Empfindlichkeit werden verschiedene Arten von Meß brücken angegeben und praktisch eingesetzt. Den hohen Anfor derungen, die die Kapazitätsspektroskopie an Halbleitern stellt, werden Anordnungen des in der DD-PS 2 02 764 beschrie benen Prinzips weitgehend gerecht, bei denen an einer Seite der Probe eine Wechselspannung angelegt und auf der anderen Seite die mit einer Änderung des Probenleitwertes verbundene Änderung des Wechselstromes durch die Probe nachgewiesen wird derart, daß die Probe Teil eines auf die Meßfrequenz abgestimm ten Schwingkreises ist und die Eingangskapazität der Vorver stärkerschaltung mit einer Induktivität zu einem auf die Meß frequenz abgestimmten zweiten Schwingkreis ergänzt ist ("Pa rallelresonanz-Anordnung"). Die Aufgabe des Abgleichs dieser Anordnungen besteht aus zwei Teilen, einerseits dem Abgleich der Probenkapazität und der Kompensation des Verlustanteils - also dem Abgleich des die Probe enthaltenden Schwingkrei ses auf minimale HF-Spannung am Vorverstärker - und anderer seits aus dem Feinabgleich des zweiten Schwingkreises am Vor verstärkereingang, der die Empfindlichkeit der Anordnung und auch die Phasenlage des HF-Signals beeinflußt. Der Abstimm zustand dieses Kreises wird zwar durch die Probenkapazität selbst nicht beeinflußt, wohl aber durch geometriebedingt unterschiedliche Streukapazitäten der Probenanschlüsse gegen Masse, so daß ein Feinabgleich erforderlich ist.

Bei Probenwechsel ist - ausgehend vom zu Beginn der Messungen grob abgeglichenen Vorverstärkereingangskreis - der Proben kreis auf die Kapazität und den Verlustanteil der neuen Probe und danach der Vorverstärkereingangskreis fein abzustimmen. Bei dem üblichen Abstimmverfahren wirkt sich nachteilig aus, daß infolge des (vor allem bei mittlerer und großer Probenka pazität) sehr scharf ausgeprägten Abgleichminimums des HF-Si gnals zunächst nach dem Probenwechsel - also bei noch nicht ab geglichenem Probenkreis - praktisch die gesamte HF-Spannung am Vorverstärkereingang liegt und diesen übersteuert. Dem muß durch Verringerung der HF-Spannung und/oder der HF-Verstärkung begegnet werden, dies ist die erst Voraussetzung, um den Pro benkreis abgleichen zu können.

Das Hauptproblem bei der Lösung dieser Teilaufgabe ist jedoch die bei den bisherigen Parallelresonanz-Brückenanordnungen vorhandene weitgehende Unabhängigkeit des HF-Signals vom Ab gleichzustand im unabgeglichenen Zustand. Um die Nähe des Ab stimminimums zu finden, ist daher bisher ein intuitives Vor gehen nötig.

Wenn der Probenkreis im wesentlichen abgeglichen ist, wird der Vorverstärkereingangskreis auf maximale HF-Amplitude bzw. optimale Phasenlage fein abgeglichen, was beim Stand der Tech nik durch manuellen Abgleich der Induktivität am Vorverstärker eingang gegen Masse erfolgt.

Dieses Vorgehen ist sehr zeit- und bedienaufwendig und setzt zudem eine große experimentelle Erfahrung voraus. Bei speziel len 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.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Abstimmverfahren sowie eine seiner Realisierung dienende Anordnung für Kapazitätsmeß brücken in Parallelresonanz-Anordnung anzugeben, die eine einfache, weitgehend fehlerfreie und schnelle Bedienung er möglichen und den Einsatz der Meßbrücke auch bei Meßaufgaben erlauben, wo sie mechanisch nicht zugänglich ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abstimmverfah ren und eine seiner Realisierung dienende Anordnung für Kapa zitätsmeßbrücken in Parallelresonanz-Anordnung zu entwickeln, die keine mechanischen Elemente enthalten, den Abgleich nach einem eindeutig vom Abgleichzustand abhängigen Signal und ohne zwischenzeitliche Veränderung der HF-Spannung oder/und -Verstärkung der Brücke erlauben soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Ver fahren und eine Anordnung angegeben werden, die sich durch elektronische Beeinflussung sowohl der Frequenzen als auch der Güte und damit Empfindlichkeit des Vorverstärkereingangskrei ses auszeichnen, wobei die erfindungsgemäße Anordnung eine Pa rallelschaltung eines steuerbaren Widerstandes und einer Kapazi tätsdiode zwischen Vorverstärkereingang und Masse darstellt.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst über die an den steuerbaren Widerstand angelegte erste Steuerspan nung die Güte und damit die Impedanz des Vorverstärkerein gangskreises verringert, anschließend auf herkömmliche Weise der Probenkreis abgeglichen, daraufhin mittels der ersten Steuerspannung die Güte des Vorverstärkereingangskreises wie der erhöht und daraufhin mittels der zweiten, an der Kapazitäts diode anliegenden Steuerspannung die Resonanzfrequenz des Vor verstärkereingangskreises bis zur Erreichung des vollständigen Abgleichs verändert wird.

Mit der Verringerung der Güte des Vorverstärkereingangskrei ses wird die Schärfe des Abgleichminimum wesentlich ver ringert, wodurch das Hauptproblem des Probenabgleichs, näm lich die weitgehende Unabhängigkeit des HF-Signals vom Ab gleichzustand außerhalb des exakten Abgleichs, behoben wird.

Die Anordnung ist damit über die Lösung der genannten Aufga be 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.

Als steuerbarer Widerstand kann ein FET gewählt werden; in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lö sung ist es derselbe FET, der in üblichen Meßbrücken der be schriebenen Art die Funktion erfüllt, während und kurz nach dem Anlegen von Spannungsimpulsen an die Probe den Vorverstär kereingang kurzzuschließen, und der dort ansonsten außer Be trieb ist.

Ausführungsbeispiel

In der Abbildung ist eine zweckmäßige Realisierung der erfin dungsgemäßen Anordnung dargestellt. Der HF-Übertrager 2 ist zur Erzielung einer starken Kopplung als vierfach-Balun-Über trager mit parallelgeschalteten, mit dem HF-Generator 1 ver bundenen Primärwicklungen und getrennten Sekundärwicklungen ausgeführt. Die Vorspannung für die Probe 3 wird über einen Impedanzwandler 4 zugeführt, der ausgangsseitig den erforderli chen 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 di rekt an Masse. Die Sekundärwicklung zur Kompensation des Ver lustanteiles ist so beschaltet, daß über einen elektronisch steuerbaren Widerstand 8 ein 180° phasenverschobener HF-Strom parallel zum Probenkreis dem gemeinsamen Anschluß des HF-Vor verstärkers 9 zugeführt wird. Dessen Eingangskapazität und Streukapazitäten gegen Masse werden von einer zweiten Indukti vität 10 kompensiert.

Erfindungsgemäß befinden sich zwischen Vorverstärkereingang und Masse der von der ersten Steuerspannung U 4 gesteuerte Feldeffekttransistor 11 und die mit der zweiten Steuerspan nung U 5 verbundene Kapazitätsdiode 12. Der Anschluß der Steuerspannung U 5 ist in üblicher Weise mit einem Kondensa tor 13 gegen Masse HF-mäßig kurzgeschlossen. Die Steuerspan nung U 4 wird während und eine gewisse Zeit nach einem Impuls der Probenvorspannung U 1 in bekannter Weise so gewählt, daß am Vorverstärkereingang 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 Vorver stärkungskreis eine hohe Güte aufweist, kann über die Abstimm spannung U 5 erfindungsgemäß eine Optimierung der Empfindlich keit der Anordnung bzw. der Phasenlage des Signals erfolgen.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 HF-Signalgenerator
2 4fach HF-Übertrager
3 Probe
4 Impedanzwandler
5 Kapazitätsdiode
6 Kondensator
7 Kreisinduktivität
8 Steuerbarer Widerstand
9 HF-Vorverstärker
10 Kompensationsinduktivität
11 Feldeffekttransistor
12 Kapazitätsdiode
13 Kondensator
U ₁ Probenverspannung
U ₂ Vorspannung der Kapazitätsdiode 5
U ₃ Steuerspannung für steuerbaren Widerstand 8
U ₄ Steuerspannung für Feldeffekttransistor 11
U ₅ Steuerspannung für Kapazitätsdiode 12
U _A HF-Ausgangssignal

Claims

1. Abstimmverfahren für Kapazitätsmeßbrücken, bei denen die Probe Teil eines auf die Meßfrequenz abgestimmten Schwing kreises ist und die Eingangskapazität der Vorverstärker schaltung mit einer Induktivität zu einem auf die Meß frequenz 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 die Güte und damit die Impedanz des Vorverstärkereingangs kreises 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 Ka pazitätsdiode anliegenden Steuerspannung die Resonanzfre quenz des Vorverstärkereingangskreises bis zur Erreichung des vollständigen Abgleichs verändert wird.

2. Abstimmeinrichtung für Kapazitätsmeßbrücken, bei denen die Probe Teil eines auf die Meßfrequenz abgestimmten Schwing kreises ist und die Eingangskapazität der Vorverstärker schaltung mit einer Induktivität zu einem auf die Meßfre quenz abgestimmten, zwischen Vorverstärkereingang und Masse liegenden Schwingkreis ergänzt ist, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Vorverstärkereingang und Masse ein steuerbarer Widerstand und eine Kapazitätsdiode parallelgeschaltet sind.

3. Abstimmeinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der steuerbare Widerstand ein FET ist.

4. Abstimmeinrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß der steuerbare Widerstand derjenige FET ist, der in üb lichen Brücken der beschriebenen Art den Kurzschluß des Vor verstärkereingangs unmittelbar nach Anlegen eines Vorspan nungsimpulses an die Probe realisiert.