Інтегральний автодинний сенсор магнітного резонансу зі стоковим детектуванням

Для безконтактних досліджень кінетичних характеристик тонкоплівкових напівпровідників можна застосувати автодинні системи, що характеризуються простотою реалізації безконтактного методу з використанням радіочастотного розмірного резонансу. За своєю чутливістю автодинні системи мало поступаються значно складнішим супергетеродинним схемам. Застосування автогенераторних методів дозволяє спростити схеми вимірювальних приладів. Автодинні сенсори характеризуються малими габаритами, вагою, простотою конструкції та обробки інформаційного сигналу.

Вимірювання кінетичних характеристик в тонкоплівкових напівпровідникових матеріалах вимагає забезпечення високої добротності резонансного контуру, високої робочої частоти та співвідношення сигнал/шум автодинного сенсора. Крім того, необхідно забезпечити можливість проведення дослідження температурних залежностей кінетичних характеристик тонких плівок напівпровідників в діапазоні температур від рідкого азоту до кімнатних. З метою зменшення температурних градієнтів схеми, що виникають при швидких змінах температури навколишнього середовища, автодин повинен характеризуватися малою теплоємкістю та надійними тепловими контактами між елементами схеми. Крім того, необхідно забезпечити малий вплив передавальної лінії автодину на його роботу в області високих частот.

Дисертаційне дослідження спрямовано на підвищення достовірності та ефективності вимірювань кінетичних характеристик тонкоплівкових вузькозонних напівпровідників в широкому температурному діапазоні, що є перспективними матеріалами для давачів інфрачервоного діапазону.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до програми наукової тематики кафедри радіотехніки та інформаційної безпеки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича "Розробка приладів радіоспектроскопічних та теполофізичних методів досліджень напівпровідникових матеріалів" державний реєстраційний код № 0106u008491, держтеми № 18.81 “Ідентифікація структурних дефектів в шаруватих сполуках групи GaSe методом ядерного квадрупольного резонансу“ державний реєстраційний код № 0108U002057 (посада: молодший науковий співробітник), проекту № 2369 українського науково-технологічного центру "Ідентифікація азоту в твердих речовинах методом ядерного квадрупольного резонансу" (посада: інженер). Роль автора у виконанні даних науково-дослідних робіт полягала у розробці та виготовленні автодинного сенсора для роботи в діапазоні від азотних до кімнатних температур, проведенні експериментальних досліджень його чутливості та шумових характеристик.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка інтегрального автодинного сенсора придатного для проведення вимірювань кінетичних параметрів тонкоплівкових напівпровідникових матеріалів в дециметровому діапазоні частот в інтервалі температур від рідкого азоту до кімнатної; дослідження впливу схемотехнічних факторів на ефективність детектування та покращення характеристик сенсора, зокрема співвідношення сигнал/шум та коефіцієнту заповнення котушки.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

- Провести аналіз схемотехнічних рішень автодинних сенсорів, що використовуються в різних областях досліджень та встановити їх переваги і недоліки.

- Дослідити прохідні характеристики активного елементу автодинного сенсору з метою забезпечення максимальної ефективності детектування.

- Розробити польовий транзистор з ізольованим затвором дециметрового діапазону частот з метою підвищення ефективності детектування автодинного сенсора, зменшення його масогабаритних показників та спрощення схеми живлення у порівнянні з існуючою елементною базою.

- Дослідити вплив з'єднувальної двопровідної лінії на параметри автодинного сенсора.

- Розробити гібридну інтегральну мікросхему автодинного сенсора на основі польового транзистора дециметрового діапазону частот, що забезпечує підвищення ефективності детектування та зменшує вплив двопровідної з'єднувальної лінії на роботу сенсора.

Об'єктом дослідження є процес стокового детектування, способи підвищення робочої частоти та чутливості автодинного сенсора.

Предметом дослідження є сенсор на основі ємнісної триточки зі стоковим детектуванням з використанням польового транзистора зі структурою метал-діелектрик-напівпровідник.

Методи дослідження базуються на методах теорії сигналів і процесів, радіовимірювань, комп'ютерного моделювання, процесів генерування та детектування сигналів розмірного резонансу досліджуваних матеріалів.

Наукова новизна результатів, одержаних у дисертації, полягає в наступному:

1. Вперше досліджено стокове детектування амплітудно модульованого сигналу розмірного резонансу в нелінійній області насичення передавальної характеристики МОН-транзистора з вмонтованим каналом, що обумовлена обмеженням струму стоку внаслідок увімкнення опору навантаження в стокову ланку. Встановлено, що внаслідок більшої крутизни вольтамперної характеристики в області виявленої нелінійності в порівнянні зі значенням крутизни в області напруги відсічки, забезпечується збільшення амплітуди продетектованого сигналу, і як наслідок підвищення ефективності детектування.

2. Встановлено, що в околі напруги насичення забезпечується менші спотворення форми сигналу геліконового резонансу, що обумовлено відмінністю передавальної характеристики транзистора на робочих ділянках в околі напруг насичення та відсічки.

3. З метою забезпечення пониження рівня власних шумів автодинного сенсора, що працює в області насичення передавальної характеристики транзистора, вдосконалено метод стокового детектування шляхом сумування напруг на резисторах в ланках стоку та витоку, що знаходяться в протифазі з використанням операційного підсилювача. А також зменшення рівня власних шумів транзистора поблизу напруги насичення.

4. Удосконалено автодинний сенсор дециметрового діапазону, за рахунок розміщення вимірювального генератора в зоні робочих температур, що забезпечує зменшення впливу розподілених параметрів з'єднувальної лінії (зокрема розподіленої індуктивності) на коефіцієнт заповнення котушки коливального контуру.

5. Запропоновано технологію виготовлення тонкоплівкової гібридної мікросхеми автодинного сенсора з детектуванням сигналу розмірного резонансу МОН-транзистором з видаленими із активної області контактами витоку та однорівневою металізацією. Це забезпечило ефективне стокове детектування автодинного сенсора в діапазоні дециметрових частот, а також дозволило спростити схему та зменшити рівень паразитних наведень у порівнянні зі схемою на двозатворному транзисторі.

Достовірність наукових результатів забезпечується строгістю та коректністю постановки задач, раніше розробленою теорією геліконового резонансу, застосуванням стандартизованої вимірювальної апаратури, застосованими сучасними програмними засобами, комп'ютерною обробкою даних, порівнянням отриманих результатів з експериментальними результатами інших авторів.

Практичне значення одержаних результатів та впровадження. В розробленому автодинному сенсорі дециметрового діапазону частот усунений вплив з'єднувальної двопровідної лінії на параметри та коефіцієнт заповнення котушки коливального контуру. Це дозволило збільшити чутливість автодину на 2.3 дБ у порівнянні з іншими подібними схемами.

Застосування виявленого режиму стокового детектування дозволяє збільшити амплітуду продетектованого сигналу у 8 разів. Таким чином покращити ефективність детектування, і як наслідок збільшення відношення сигнал/шум в 3 рази.

В коливаннях генерованих автодинним сенсором на МОН-транзисторі з вмонтованим каналом коефіцієнти гармонік в областях нелінійностей в околі напруг насичення та відсічки становлять 0,24 та 0,87 відповідно. При роботі транзистора в околі напруги насичення забезпечуються менші спотворення форми сигналу геліконового резонансу (похибка відтворення резонансної лінії менше на 8%).

Винесення контактів витоку із активної області структури кристалу польового транзистора спрощує технологію його виготовлення. А отримані характеристики транзистора дозволяють оптимально реалізувати ефект стокового детектування.

Спроектована гібридна інтегральна мікросхема автодинного сенсора забезпечує роботу сенсора на частоті 500 МГц і в температурному діапазоні 77300 К.

Запропоновані автором математична модель стокового детектування в автодинному сенсорі, схемотехнічне рішення та конструкція автодинного сенсора використані при розробці сповіщувачів пожежних димових точкових радіоканальних на ПП "Сігма", м. Чернівці; для контролю кінетичних характеристик тонкоплівкових напівпровідникових шарів на ТДВ "Завод "Кварц", м. Чернівці; у навчальному плані з курсу "Інформаційно вимірювальні системи" на кафедрі радіотехніки та інформаційної безпеки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича згідно вимог Болонської системи навчання, робочий макет автодинного сенсора та методичні вказівки до лабораторної роботи на тему "Дослідження спектру генерованих коливань автодинного сенсора".

Публікації і особистий внесок здобувача в отриманні наукових результатів. За темою дисертації опубліковано 20 робіт, з них: 7 статей (у співавторстві), 3 патенти (у співавторстві), 10 тез доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах. У роботах, виконаних у співавторстві, дисертантом встановлено режими ефективного стокового детектування в автодинному спін-детекторі [1*, 5*, 7*, 11*, 12*, 13*, 15*]. На основі комп'ютерного аналізу розроблені схеми автодинних сенсорів [8*, 9*, 19*]. Для реалізації підвищення ефективності стокового детектування розроблений польовий транзистор з відповідними характеристиками [4*, 6*]. Ці автодинні сенсори були застосовані для детектування геліконів [10*, 14*, 17*, 18*]. Для проведення необхідних вимірювань розроблені додаткові пристрої, а саме пристрій стабілізації напруженості магнітного поля та синхронний детектор [2*, 3*, 8*, 20*]. Досліджена топологія напруженості магнітного поля котушок Гельмгольца та виявлена область однорідного (з заданим відхиленням від номінального значення) магнітного поля [16*].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи, що включені до дисертації, доповідались та обговорювались на: Міжнародній науково-теоретичній конференції молодих вчених “Молодь і досягнення науки у вирішенні проблем сучасності”, м. Чернівці, Україна, 2003; Відкритій науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету „Львівська політехніка” з проблем електроніки, м. Львів, Україна, 2004; Восьмому міжнародному молодіжному форумі “Радиоелектроника и молодежь в ХХI веке”, м. Харків, Україна, 2004; Відкритій науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету “Львівська політехніка” з проблем електроніки, м. Львів, Україна, 2005; П'ятій міжнародній науково-практичній конференції „Современные информационные и электронные технологии”. м. Одеса, Україна, 2005; Відкритій науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету “Львівська політехніка” з проблем електроніки, м. Львів, Україна, 2007; Восьмій міжнародній науково-практичній конференції „Современные информационные и электронные технологии”. м. Одеса, Україна, 2007; 8^th International Balkan workshop on applied physics. Constanta, Romania, 2007; 3-й Міжнародній науково-технічній конференції "Сенсорна електроніка та мікросистемні технології" (з виставкою розробок та промислових зразків сенсорів) "СЕМСT-3", м. Одеса, Україна, 2008; DAS 2008 International Conference on Development and Application Systems, Suceava, Romania, 2008.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел. Загальний обсяг дисертації - 158 сторінок, у тому числі 66 рисунків, 3 таблиці, список використаних літературних джерел із 171 найменування на 18 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність роботи стосовно розвитку автодинних сенсорів для проведення вимірювання кінетичних параметрів напівпровідникових матеріалів, зв'язок роботи з науково-технічними планами та програмами. Сформульовано мету і задачі досліджень.

Перший розділ має оглядовий характер. У ньому розглянуто застосування автодинних сенсорів в області радіоспектроскопії розмірного магнітного резонансу. Виявлена можливість застосування такого сенсора для безконтактного контролю кінетичних параметрів (концентрації та рухливості) напівпровідникових матеріалів з використанням методу геліконового резонансу.

Метод магніто-розмірного (магнітоплазмового) резонансу на зверхвисоких частотах може застосовуватися як безконтактний експрес-метод для визначення концентрації і рухливості носіїв струму в тонкоплівкових напівпровідникових зразках малих розмірів (і мезаструктурах на високоомних підкладках) розширюючи область застосування радіоспектроскопії як методу дослідження властивостей напівпровідникових матеріалів.

Автогенераторні методи вимірювань в порівнянні з іншими резонансними методами дозволяють спростити структуру приладу, що пов'язано з суміщенням в одному вузлі функцій генератора, вимірювального перетворювача, модулятора, підсилювача потужності, а також детектора. Зазначені особливості забезпечують підвищення співвідношення сигнал/шум у вимірювальному автогенераторі в порівнянні з іншими резонансними приладами.

Проаналізовані принципові схеми основних типів автодинних сенсорів. Виявлено, що схема на основі витокового повторювача характеризується більшою чутливістю у порівнянні з іншими схемами, кращим співвідношенням сигнал/шум та простотою схеми.

Аналіз останніх наукових публікацій вказує на необхідність забезпечення надійної роботи автодинного сенсора в діапазоні температур 77300 К. Вирішення цієї проблеми можливе шляхом реалізації сенсора у вигляді гібридної інтегральної мікросхеми, що забезпечує вищу технологічність, надійність, конструктивну простоту та малогабаритність.

Для створення інтегрального автодинного сенсора придатного для проведення вимірювань кінетичних параметрів тонкоплівкових напівпровідникових матеріалів в дециметровому діапазоні частот в інтервалі температур від рідкого азоту до кімнатної необхідно вирішити наступні задачі:

- Дослідити схемотехнічні та конструктивні фактори впливу на характеристики сенсора, зокрема співвідношення сигнал/шум та коефіцієнту заповнення котушки. Запропонувати способи покращення цих характеристик.

- Виявити недоліки та переваги застосування стокового детектування в автодинному сенсорі дециметрового діапазону спостереження розмірного резонансу.

- Вирішити задачу розробки польового транзистору з ізольованим затвором дециметрового діапазону частот, що дає можливість розробити гібридну інтегральну мікросхему автодинного сенсора на його основі та зменшення впливу двопровідної з'єднувальної лінії. Застосування такого транзистора повинно забезпечити підвищення ефективності стокового детектування, зменшення його масогабаритних показників та спрощення схеми живлення у порівнянні з біполярним транзистором.

Показано, що вибрана тема досліджень не повторює відомі роботи, а доповнює їх.

У другому розділі досліджені оптимальні режими стокового детектування з використанням розробленого однозатворного МОН-транзистора із вмонтованим каналом з метою підвищення ефективності стокового детектування.

Використання польового транзистора зі структурою метал-окисел-напівпровідник є більш доцільним у порівнянні з польовим транзистором керованим -переходом, оскільки їм притаманна менша вхідна ємність, відсутність модуляції ємності затвор-канал та більший на декілька порядків вхідний опір. Високий вхідний опір польового транзистору практично виключає шунтування коливального контуру, що безпосередньо взаємодіє з досліджуваним зразком. Крім цього, немає необхідності у використанні додаткових ланок живлення для встановлення режиму роботи детектувального транзистора.

Для проектування транзистора використовувалася SPICE-модель третього рівня, призначена для опису коротко-канальних польових МОН-транзисторів через їх електрофізичні параметри. Це дозволило провести розрахунки вольт-амперних характеристик транзистора з врахуванням ефектів модуляції довжини каналу та рухливості носіїв заряду і забезпечити комп'ютерне моделювання схем автодинного сенсора для дослідження оптимальних режимів його роботи.

Для реалізації автодинного сенсора в гібридному інтегральному виконанні необхідно, щоб розроблюваний МОН-транзистор мав наступні електричні параметри: струм стоку: мА; максимальна напруга стік-витік: В; крутизна: мА/В; максимальна робоча частота: ГГц; коефіцієнт шуму: дБ; діапазон робочих температур: К. Конструктивно МОН-транзистор представляє собою вертикальну структуру сформовану методом подвійної дифузії (П-МОН) з винесеними контактами витоку з його активної області. Це дозволило отримати значення паразитних ємностей: , , , , , , що є меншими у порівнянні зі структурою із самосуміщеним затвором. Формування металізації затвору та витоку проводиться в одному технологічному циклі, що спрощує технологічний процес виготовлення транзисторів. Фрагмент топології та поперечні розрізи кристалу розробленого транзистора приведені на рис.1.

Рис.1 Фрагмент топології кристалу транзистора: а) вигляд зверху, б) поперечний переріз кристалу в області витоку, в) поперечний переріз кристалу в області затвору; (1-кремнієва пластина КЕС 0.01, 2-епітаксійний шар Омсм, 3-підкладка, 4-область витоку, 5-підзатворний діелектрик, 6-металізація стоку, 7-металізація затвору, 8-металізація витоку).

Виготовлення n-канальних П-МОН транзисторів передбачає використання базових технологічних процесів формування К-МОН інтегральних мікросхем.

Основні характеристики експериментальних взірців транзистора при кімнатній та азотній температурах приведені на рис.2.

Розроблено математичну модель вольт-амперної характеристики детектора з врахуванням опору навантаження в ланці стоку, що дає можливість знайти середнє значення струму стоку за період модулюючих коливань в залежності від напруги зміщення затвор-витік.

Отримана система рівнянь (1) дозволяє обчислити залежність стуму стоку від напруги на затворі транзистора при ввімкненні резистора навантаження в ланку стоку (рис.3).

 а) б)

в) г)

Рис.2 Експериментальні характеристики транзистора: а) прохідна ВАХ, б) залежність напруги відсічки від температури, в,г) вихідні ВАХ.

Рис.3 Розподіл напруги живлення між транзистором та опором навантаження

(1)

де , , , , , і - струм стоку та напруга стік-витік, - напруга живлення схеми, - опір навантаження транзистора в ланці стоку, - ефективна напруга затвора, - напруга на затворі відносно витоку, - напруга відсічки, - рухливість носіїв заряду, - питома ємність затвору, - ширина та довжина каналу транзистора, (при умові ) - напруга затвор-витік переходу з лінійної області в область насичення, , , , .

Розрахункову ВАХ розробленого транзистора представлено на рис.4,а.

Середнє значення струму стоку за період модулюючих коливань при детектуванні амплітудно-модульованої високочастотної напруги, що діє на затворі, визначається наступним виразом:

(2)

де - період низькочастотного модулюючого сигналу.

Інтегрування проводилось чисельно методом трапецій з кроком 0.001 В по напрузі зміщення з використанням комп'ютерної програми математичного спрямування MatLab. Залежність амплітуди стокового струму від напруги зміщення затвор-витік, отримана із розв'язку рівняння (2) приведена на рис.4,б.

При переміщенні робочої точки по передавальній характеристиці транзистора в областях нелінійностей біля напруг відсічки та насичення реєструються два сигнали із взаємно-протилежними фазами. Як бачимо, детектування є ефективним не тільки в області відсічки, а і в області насичення за рахунок ввімкнення навантаження в ланку стоку. Максимальна ефективність детектування спостерігається в околі напруги насичення транзистора (у 8 разів більше ніж в околі напруги відсічки).

а) б)

Рис.4 Розрахункові залежності: а) стокового струму від напруги затвор-витік з врахуванням опору навантаження в колі стоку транзистора, б) амплітуди стокового струму від напруги зміщення затвор-витік.

Моделювання схеми автодинного сенсора на основі витокового повторювача напруги (рис.5) проведено в програмному середовищі MicroCap.

Рис.5 Схема електрична принципова автодинного сенсора і розрахованого на частоту 500 МГц та побудованого за схемою Колпітца.

Змодельовані в SPICE-форматі та експериментальні залежності струму стоку від напруги затвор-витік з резистором навантаження в ланці стоку приведені на рис.6. Експериментальні дослідження (рис.6б, рис.7б) підтверджують результати моделювання (рис.6а, рис.7а) і узгоджуються з розрахунковими (рис.4а, рис.4б). Отже отримана математична модель детектора достовірно описує процес стокового детектування з використанням нелінійності ВАХ в околі наруги насичення, обумовленої увімкненням резистора навантаження (рис.4а,б).

Ефективність детектування, що оцінюється відношенням величини зміни струму стоку (що відповідає огинаючій високочастотної напруги на затворі) до величини зміни амплітуди напруги високочастотних коливань на затворі (рис.7) є вищою в області 1 у порівнянні з областю 2 (рис.6). За результатами розрахунків амплітуда детектованого сигналу у 8 разів перевищує значення амплітуди в області 2, за результатами моделювання ця величина становить 12, експериментально отримані значення дорівнюють 5,1 рази.

а) б)

Рис.6 Залежності струму стоку від напруги затвор-витік з резистором навантаження в ланці стоку: а) в SPICE-форматі, б) експериментальні.

 а) б)

Рис.7 Залежності амплітуди стокового струму від напруги зміщення затвор-витік: а) дані моделювання в MicroCap, б) експериментальні дані.

Проведені дослідження форми і спектру генерованих коливань (рис.8) в контрольних точках схеми показують, що в разі роботи автодину біля межі зриву коливань (рис.8,б) їх форма є близькою до синусоїди. Це призводить до звуження спектру продетектованого корисного сигналу, що забезпечує підвищення точності результатів експериментальних досліджень (похибка відтворення резонансної лінії менше на 8%).

Проведені дослідження детектуючих властивостей спін-детектора на польовому транзисторі підтвердили можливість підвищення співвідношення сигнал/шум за рахунок одночасної демодуляції протифазних резонансних сигналів, що сформовані в ланках стоку та витоку (рис.9) польового транзистора, з наступним сумуванням, внаслідок чого співвідношення сигнал/шум покращується в 1.7 раза у порівнянні з асиметричною схемою стокового детектування. автодинний сенсор детектування вимірювання

 а) б)

Рис.8 Спектр коливань реальної схеми автодинного сенсора: а) в стійкому режимі, б) на межі зриву коливань. (експеримент - суцільна крива, моделювання - точки з'єднані кривою).

Рис.9 Спрощена схема автодинного сенсора.