Анализатор параметров проводящих, сверхпроводящих и полупроводниковых структур

Одним из наиболее распространенных методов получения новой информации о сверхпроводимости является туннельная спектроскопия (ТС) [1].. Метод основан на измерении вольт-амперной характеристики (ВАХ) туннельного перехода между двумя проводниками, разделенными тонким непроводящим барьером. При этом основная задача эксперимента сводится к определению производных ВАХ (динамической проводимости о = -^- и

d2I ее нелинейности о = ^ 2 ), которые позволяют выяснить зависимость плотности состояний электронов от энергии, а также частоты фононов и молекулярных возбуждений, участвующих в процессе туннелирования. Измерение данных параметров модуляционным методом можно реализовать при развертке по напряжению. В случае исследования сверхпроводящих переходов (СП) данный эксперимент провести сложно из-за малых значений падения напряжения на объекте исследования, необходимости применения длинных линий и пропускания больших токов (1 А и более). Как правило, развертку ВАХ для СП проводят по току, а измеряемые параметры при этом — динамическое dU сопротивление R d = и нелинейность ампер-вольтной характеристики (АВХ) R d = ^2 . При этом искомые величины рассчитываются из выражений [2].:

d I

d U

- 1

d U

d I

d2I dU 2

—

(. Ur d u Y

( di ² J/ ( di ) "

В этой же работе была представлена универсальная схема, позволяющая проводить измерения при развертке по току. Недостатком данной схемы является ограниченный диапазон по устанавливаемому току развертки. Прямое использование мощных усилительных каскадов в управляемом источнике тока (ИТ) приводит к нелинейности функции преобразования ИТ, что отражается на точности измерения производных.

Благодаря высокой чувствительности к измеряемым параметрам длительное время недорогая аппаратура туннельной спектроскопии формировалась на базе мостовых схем [3–7].. Недостатком этого подхода является необходимость применения переменных резисторов для балансировки, что снижает надежность измерительных установок и усложняет их автоматизацию.

С появлением современной элементной базы была разработана серийная аппаратура измерения параметров ВАХ известных западных фирм Agilent и Keithley [8, 9].. Однако из-за ее дороговизны она не получила широкого распространения.

ОПИСАНИЕ РЕШЕНИЯ

Для расширения диапазона устанавливаемых токов применена схема каскадного усилителя мощности с использованием переключаемых опорных резисторов R 0 в цепи отрицательной обратной связи. При этом для увеличения линейности ИТ на второй гармонике сигнала в схеме применен LC-фильтр в цепи обратной связи. Структурная схема анализатора параметров (АП) представлена на рис. 1.

Основными элементами структурной схемы АП являются микропроцессор (МП), два канала источников тока (ИТ1 — развертки, ИТ2 — накачки), измерительный модуль. Команда на проведение цикла измерений подается оператором

Рис. 1. Упрощенная структурная схема анализатора параметров.

ЭВМ — электронно-вычислительная машина; МП — микропроцессор; ИТ1 — измерительный канал источника тока развертки с модуляцией; ИТ2 — измерительный канал источника тока инжекции I in ; СД-ФНЧ — схема синхронного детектирования и фильтрации; ФНЧ — фильтр нижних частот; ГР — гальваническая развязка.

с помощью ЭВМ. Микропроцессор анализатора осуществляет управление разверткой тока с помощью ИТ1 и подает команду на установку необходимого тока накачки с помощью ИТ2. На выходе ИТ1 формируется сигнал тока, который представляет собой сумму ступенчатого тока смещения 10 (t) и гармонического тока модуляции Im • cos (2nf 01), где f 0 — частота модуляции. Падение напряжения UL1 (t) на объекте исследования при прохождении данного тока, которое содержит нелинейную составляющую, подается на схему синхронного детектирования и фильтрации. На выходе данной схемы получаем постоянную составляющую U L1 , динамическое сопротивление R d и его производную R d. Данные сигналы, а также сигнал напряжения, соответствующего току накачки U L2 , сигналы об установленных значениях тока UI 1 , UI 2 подаются на вход измерительно- го модуля. Измерительный модуль ADA1406 обеспечивает оцифровку данных с разрядностью АЦП 14 бит и передачу информации в компьютер.

Новыми и важными элементами структурной схемы являются схемы гальванической развязки (ГР), которые исключили возможность возникновения петель заземления в случае измерения четырехполюсных структур образцов.

На рис. 2 представлена функциональная схема канала источника тока развертки с модуляцией. Удвоенная частота модуляции формируется процессором в виде меандра. Данный сигнал после делителя частоты на 2 подается на схему "атте-нюатор—полосовой фильтр" (Ат-ПФ). Новизной решения является то, что данная схема обеспечивает на выходе гармонический сигнал с частотой модуляции f ₀ и управляемой амплитудой, что позволяет увеличить чувствительность при измерении малых значений производных.

Рис. 2. Функциональная схема канала источника тока развертки с модуляцией.

МП — микропроцессор; ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь; Ат-ПФ ( f ₀) — аттенюатор— полосовой фильтр; ДЧ — делитель частоты на 2; УМ — усилитель мощности; УОС — усилитель обратной связи; R 0 — опорный резистор; Z L — объект исследования; ВУ — входной усилитель; ПФ (2 f 0 ), ПФ ( f 0 ) — полосовые фильтры; СДd — синхронный детектор первой производной; СДd² — синхронный детектор второй производной; ФНЧ1, 2, 3 — фильтры нижних частот

Полученный сигнал подается в схему цифроаналогового преобразователя (ЦАП), где суммируется с сигналом развертки ступенчатой формы. Непосредственно схема источника тока стабилизирует ток через нагрузку Z L по сигналу с образцового сопротивления R 0 . Важным элементом ДС является полосовой LC-фильтр в цепи обратной связи, настроенный на удвоенную частоту модуляции 2 f ₀. Дело в том, что нелинейность усилителя мощности ИТ, которая на постоянной составляющей и первой гармонике незаметна, на сигнале второй производной вносила существенные систематические погрешности. С помощью данного фильтра удалось повысить линейность схемы.

Падение напряжения на Z L подается на входной усилитель, полосовые фильтры и синхронные детекторы, которые выделяют сигналы первой и второй производных. Фильтры нижних частот ФНЧ1, 2, 3 — обеспечивают необходимое соотношение сигнал/шум выходных сигналов схемы.

Благодаря управляемому изменению амплитуды модуляции, а также применению многокаскадного усиления измерительных сигналов достигаемая чувствительность измерения производных составляет 2·10–6.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Количество гальванически развязанных между собой и ЭВМ каналов измерений ВАХ2

Диапазон задаваемых токов по каждому каналу, А               –1.5 ÷ +1.5

Дискретность установки токов, % от граничного значения диапазона0.03

Время установки заданного тока на образце, мкс20

Разрядность АЦП14

Частота дискретизации АЦП, кГц50

Диапазон измерения напряжения, В –10 ÷ +10

Погрешность измерения напряжения не выше, %                           ± 0.05

Частота модуляции по 1-му каналу, кГц4

Уровень модуляции, ед. мл. разр. 1, 2, 5, 10

Питание, В                          ~ 220 ± 10

Потребляемая мощность, Вт60

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Созданный анализатор параметров с возможностью полной автоматизации развертки тока, измерений и визуализации не уступает современным аналогам.