(ITA) Come effettuare misure Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) tramite Impedance Analyzer MFIA

Obiettivo: produrre un treno di impulsi quadri di tensione e misurare transitori di capacità.

Questo articolo illustrerà come produrre un’onda quadra in tensione ed acquisire i conseguenti transitori di capacità, in una scala temporale molto corta (ad esempio 20 us), per effettuare misure di tipo Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS). DLTS è una tecnica potente e comunemente usata per investigare sia la concentrazione che l’energia di legame di carica dei difetti nei semiconduttori. Questa tecnica essenzialmente prevede la misura di transitori di capacità a differenti temperature. Viene usata soprattutto per caratterizzare dispositivi e materiali come MOSFETs, celle solari, OLEDs, diodi Schottky e TFTs.

Utilizzando la funzionalità “Threshold Unit” di LabOne (inclusa nella fornitura standard dell’Impedance Analyzer MFIA) è possibile produrre impulsi quadri con un offset predefinito ed un’ampiezza fino a 10 Volt (in configurazione a 2 terminali). Questo significa che MFIA (o in alternativa il Lock-In Amplifier MFLI con l’aggiunta dell’opzione MF-IA Impedance Analyzer) può sostituire molti dei numerosi strumenti necessari per misre DLTS, fra cui il Capacitance Meter ed il Pulse Generator, come descritto in dettaglio in questa application note.


  • Configurare il treno di impulsi quadri con MFIA

La Fig. 1 mostra i parametri necessari per configurare il treno di impulsi quadri di tensione. Ecco in dettagli i vari passi numerati da seguire:

  1. Impostare a “TU Output Value” l’ingresso di una delle quattro Threshold Unit disponibili. Invertire questo segnale a destra nel campo “Not” della sezione Logic Units per creare un segnale binario con valori zero o uno.
  2. Settare il ritardo nel campo “State Enable/Disable” con i valori temporali opportuni. In Fig. 1 abbiamo selezionato rispettivamente 300 ms e 1 s.
  3. Dopo avere aperto il tab “Aux” andiamo a settare l’uscita dell’Output 1 come corrispondente all’uscita della Threshold Unit definita nel passo 1.
  4. La scalatura e l’offset del segnale possono essere regolati a piacere (un fattore negativo di scala significa che gli impulsi saranno invertiti). Attenzione a non superare i limiti di tensione in uscita, per non incorrere nel Clipping del segnale.
  5. Aggiungendo la traccia “Signal 1 Aux In 1” alla funzione “Plotter” è possibile monitorare il segnale generato ed aggiustare se necessario i parametri precedenti.

 

Produrre un treno di impulsi quadri con MFIA

Fig. 1: Configurare il treno di impulsi quadri mediante le funzionalità “Threshold Unit” e “Auxiliary I/O” (click to enlarge)

 

Sul Front Panel del MFIA è necessario collegare “Aux Output 1” con “Aux Input 1” tramite un cavo BNC (come mostrato in Fig. 2).

Fig. 2: BNC connection to MFIA

Fig. 2: Un cavo BNC collega l’Aux Output 1 con l’Aux Input 1. E’ visibile la cella solare monocristallina collegata alla Fixture MFITF fornita con lo strumento.

 

IMPORTANTE: Tornando a LabOne, nel tab “Lock-In” è necessario abilitare la checkbox Add nel campo Signal Output. Questo aggiungerà il segnale in tensione di Aux Input 1 al segnale di test AC in uscita.


  • Misurare la capacità in risposta all’applicazione del segnale impulsato.

E’ ora di aprire ed abilitare in LabOne il tab “Impedance Analyzer”. E’ possibile configurare i parametri a piacere, ma consigliamo di usare quelli indicati in Fig. 3 come punto di partenza. Il settaggio mostrato è ottimizzato per la misura di una cella solare monocristallina commerciale (Digikey KXOB22-04X3L-ND, illustrata in Fig. 2) in modalità 4-terminali con un segnale di test AC di 100 mV a 1 MHz.

Ecco alcuni suggerimenti per misurare nel modo corretto, con riferimento ai campi indicati in Fig. 3:

  1. Aumentare la “Max Bandwidth” per essere sufficientemente veloci per catturare i transitori di capacità.
  2. Aumentare il “Data Transfer Rate” per ottenere la miglior risoluzione temporale (107 kS/s è il massimo valore in continua, per andare oltre è necessario usare la modalità Gated Data Transfer)
  3. Verificare che il range del “Signal Output 1” sia sufficientemente largo per permetere la generazione degli impulsi quadri sommati al segnale di test AC (per modificare il campo bisogna prima disattivare il Test Signal). In modalità 4-terminali è possibile generare una tensione massima di 3 Volt, mentre in modalità 2-terminali il range massimo è di 10 Volt.
  4. Impostare il “Range Control” in modalità Manual per evitare cambi di range improvvisi.

Fig. 3: parametri dell'Impedance Analyzer

Fig. 3: Sono mostrati i parametri dell’Impedance Analyzer tab, ottimizzati per la misura della cella solare monocristallina. Per mostrare la parte inferiore è necessario selezionare la modalità Advanced (click to enlarge)

 

Una volta configurati i parametri per la misura di Impedenza, aprire in LabOne il tab “Plotter” ed aggiungere il segnale di capacità da misurare “Impedance 1 Sample Rep Parameter 2” al segnale precedente “Signal 1 Aux In 1”. In questo modo possiamo visualizzare sia il treno di impulsi quadri da noi generati che la misura di capacità fra loro sincronizzati. In Fig. 4 sono visualizzate le due tracce nel caso di una generazione di treno di impulsi DC con ampiezza 1 Volt e offset +0.5 Volt. Con l’utilizzo dei Cursori è possibile effettuare la misura di capacità che risulta rispettivamente 1.6 nF a “zero DC bias” e 2.3 nF a “1 V DC bias”.

Fig. 4: square pulses and capacity traces in Plotter

Fig. 4: Nel tab Plotter vengono visualizzati i valori misurati di Capacità (in rosso) assieme agli impulsi quadri DC da noi generati (in blu). In questo caso il treno di impulsi ha ampiezza 1 V e offset +0.5 V (con rise time 18 ns) (click to enlarge).

 

Per misure più veloci e con una perfetta sincronizzazione è preferibile usare il tab “Data Acquisition” incluso in LabOne. Questa funzionalità permette di definire il numero di punti richiesti e di impostare un trigger configurabile, per poter catturare il transitorio completo includendo eventuali punti precedenti alla transizione. La Fig. 5a illustra i dati acquisiti con il modulo DAQ relativi ad una larghezza di impulso di tensione di appena 1 ms. La Fig. 5b mostra invece un dettaglio dei segnali nel punto di transizione da 1 V a 0 V, evidenziando che il valore di Capacità viene misurato con accuratezza prima (2.3 nF) e dopo (1.6 nF) il reset. Il tempo richiesto da MFIA per catturare queste misure di Capacità è di appena 20 us!

Fig. 5: grafici che mostrano le tracce acquisite con il modulo Data Acquisition

Fig. 4: Sono visualizzati nel tab Plotter i segnali di capacità (in rosso) e di tensione impulsata DC da noi generata (in blu). Il grafico in alto mostra un dettaglio dell’impulso di 1 ms con ritardo impostato di 3 ms. Il grafico in basso mostra un dettaglio della transizione da 1 V a 0 V evidenziando che fra le due misure di capacità prima e dopo il reset passano solo 20 us (click to enlarge).

 


  • Conclusioni

Questo articolo illustra come l’Impedance Analyzer MFIA può produrre il treno di impulsi di tensione necessari per le applicazioni DLTS e contestualmente acquisire i transitori di capacità risultanti. In questo caso abbiamo usato una cella solare monoscristallina commerciale, misurata con un segnale di test AC di ampiezza 100 mV a 1 MHz. Lo strumento è stato in grado di misurare la capacità prima (2.3 nF) e dopo (1.6 nF) la caduta di tensione in appena 20 us.

Queste funzionalità di MFIA possono essere di grande aiuto per i ricercatori e tecnici che vogliono aumentare le prestazioni e la flessibilità dei propri sistemi DLTS, diminuendo la complessità del setup sperimentale. MFIA può infatti sostituire da solo il Capacitance Meter, la DAQ Board ed il Pulse Generator diminuendo l’occupazione di spazio necessaria. Inoltre il range esteso di misure di capacità di MFIA rispetto ad altri strumenti (come il Boonton 7200), e l’abilità di fissare la frequenza di test liberamente fra 1 mHz e 5 MHz permette all’utente di effettuare misure DLTS con la massima flessibilità.

Per maggiori informazioni su questo tipo di misure e per approfondire altri aspetti (come l’aggiunta del controllo di temperatura), siamo disponibili in qualunque momento. Get in touch!