Функциональные возможности и базисные структуры фотоэлектрических нуль- детекторов

The main types of basic structures of photoelectric zero-detectors which we have named, as paraphase photodetectors are considered in the paper. The paper gives analysis of operational principles, output characteristics and possible fields of application of such devices. The basic advantages of paraphase photodetectors are specified in the paper.Рассмотрены основные типы базисных структур фотоэлектрических нуль-детекторов, названных парафазными фотоприемниками. Приведен анализ принципов действия, выходных характеристик и возможных областей применения таких приборов. Указаны основные достоинства парафазных фотоприемников

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ В ПРОЦЕССЕ ТРЕНИЯ

The paper describes the electronic work function measurements by the contact potential difference technique, and experimental demonstration of the possibility of their application for the monitoring of the friction surface. The techniques of tribological studies using contact potential difference probes are developed. Examples of measurements work function during friction for the bronze and steel samples are present. The study work function directly in the process of friction possible to determine the modes of friction and dynamics of defects on the surface friction, identify spots of destruction on local microroughnesses.Рассмотрены вопросы измерения работы выхода электрона по контактной разности потенциалов; экспериментально обоснована возможность их применения для оценки и контроля состояния поверхности трения. Разработаны методики и приведены примеры их применения для определения работы выхода электрона при трибологических исследований с применением зонда Кельвина. Показано, что исследование работы выхода электрона непосредственно в процессе трения позволяет определить режимы трения, изучать динамику дефектов на поверхности трения, выявлять очаги разрушения на локальных микронеровностях

ДИАГНОСТИКА ЛОКАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПО РАБОТЕ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА

The paper describes the electronic work function measurements by the contact potential difference technique, and experimental demonstration of the possibility of these methods application for the stress-strain state of the surface layer of the metals and alloys. The techniques end examples of their application of localization of plastic deformation studies using the Kelvin probe are developed and present. The study topology of work function the deformed surface possible to determine the type of deformation and dynamics ofРассмотрены вопросы измерения работы выхода электрона по контактной разности потенциалов и экспериментально обоснована возможность применения этих методов для оценки напряженно-деформированного состояния поверхностных слоев металлов и сплавов. Разработаны методики и приведены примеры их применения для исследования локализации пластической деформации с применением зонда Кельвина. Показано, что исследование топологии работы выхода электрона деформируемой поверхности позволяет определять вид деформации, изучать динамику дефектов на поверхности, выявлять потенциальные очаги разрушения на локальных участках поверхности.

Приборный ряд фотоэлектрических преобразователей на основе полупроводников с собственной фотопроводимостью

One of the ways to solve multiple problems of optical diagnostics is to use photovoltaic converters based on semiconductors with intrinsic photoconductivity slightly doped with deep impurities which form several energy levels with different charge states within the semiconductor′s bandgap. Peculiarities of physical processes of recharging these levels make it possible to construct photodetectors with different functionality based on a range of simple device structures.The aim of this work is to analyze peculiarities of conversion characteristics of single-element photovoltaic converters based on semiconductors with intrinsic photoconductivity, to systematize their properties and to represent structures of photovoltaic convertors as a device structures suitable for implementation in measurement transducers of optical diagnostics systems.Based on the analysis of the characteristics of the conversion characteristics of single-element photovoltaic converters based on semiconductors with intrinsic photoconductivity and the requirements for their design, a dash series of photovoltaic converters was developed for use in the measuring transducers of optical diagnostics systems. The possibility of constructing functional measuring transducers for multiparameter measurements of optical signals is shown.Одним из способов решения многообразных задач оптической диагностики является использование фотоэлектрических преобразователей на основе полупроводников с собственной фотопроводимостью, слабо легированных глубокими примесями, формирующими несколько уровней с разными зарядовыми состояниями в запрещённой зоне. Особенности физических процессов перезарядки этих уровней позволяют создавать фотоприёмники с различными функциональными возможностями на основе ряда простых приборных структур.Целью работы является анализ особенностей преобразовательных характеристик одноэлементных фотоэлектрических преобразователей на базе полупроводников с собственной фотопроводимостью, систематизация их свойств, и представление структур, представленных ФЭП в виде приборного ряда фотоэлектрических преобразователей для применения в измерительных преобразователях систем оптической диагностики.На основе анализа особенностей преобразовательных характеристик одноэлементных фотоэлектрических преобразователей на базе полупроводников с собственной фотопроводимостью и требований к их конструкции разработан приборный ряд фотоэлектрических преобразователей для применения в измерительных преобразователях систем оптической диагностики. Показана возможность построения функциональных измерительных преобразователей для многопараметрических измерений оптических сигналов

АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШИРОКОДИАПАЗОННЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С МНОГОЗАРЯДНЫМИ ПРИМЕСЯМИ

Metrological features of photovoltaic semiconductor converters (PSC) based on semiconductors with the multiple-charge impurities are investigated in a wide range of power densities of optical radiation. The algorithm of the measurement procedure of the metrological characteristics of PSC is introduced not only at low densities of optical power, but at high, taking into account the boundary of nonlinear recombination. The estimation of accuracy of feature finding of the metrological characteristics PSC based on semiconductors with the multiple-charge impurities, is carried out, taking into consideration the area of nonlinear recombination. Исследованы метрологические особенности фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей (ФЭПП) на основе полупроводников с многозарядными примесями в широком диапазоне плотностей мощности оптического излучения, обусловленные процессами нелинейной рекомбинации. Предложен алгоритм процедуры определения метрологических характеристик таких ФЭПП не только при малых плотностях мощности оптического излучения, но и при высоких, учитывающий границы области нелинейной рекомбинации. Проведена оценка погрешности определения метрологических характеристик ФЭПП на основе полупроводников с многозарядными примесями с учетом перехода в область нелинейной рекомбинации.

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ

Nowadays the technique of analog contact potential difference probes well developed. Due to the influence of various parasitic factors, analog probes has substantial errors. The integration time for automatic CPD compensation should be at least several seconds to achieve high accuracy measurements. The speed and the accuracy are essential, for example, for Scanning Kelvin Probes. The purpose of this paper is to develop a digital contact potential difference probe, with a higher accuracy and speed of measurements as compared to analog probe. The digital probe made on base of 32-bit microprocessor with a Cortex M4 core. Measuring cycle consists of at least two successive determinations of the output signal amplitude at different compensation voltage generated by the microcontroller. It allows synchronizing of the generated oscillations and reading of the measuring signals. Data arrays processed in real time of the Digital Signal Processing by microprocessor. In this case is possible computation of the root mean square value or determination of the desired spectral line of the signal after fast Fourier transformation. Both methods permit eliminate of random noise and spurious harmonics. The method provides the digital contact potential difference probe operation in large signal mode and with a large signal/noise ratio. This eliminates the error associated with the zero signal finding. Also the integration time for automatic CPD compensation of the measured value is not necessary, which significantly reduces the measurement time and eliminates errors of compensation and DAC. In addition, the microcontroller could control the movement of the probe during scanning and transfer data to the host computer on interface USB, etc.В настоящее время принципы построения аналоговых измерителей контактной разности потенциалов достаточно хорошо отработаны. Однако остаются и некоторые недостатки. Из-за влияния ряда паразитных факторов, аналоговые измерители имеют область неопределенности и значительную погрешность. Для достижения высокой точности требуется интеграция сигнала с постоянной времени не менее нескольких секунд. Скорость и точность измерения имеет существенное значение, например, для сканирующих зондов Кельвина (SKP). Целью настоящей работы является разработка цифрового измерителя контактной разности потенциалов, обладающего повышенной точностью и быстродействием, по сравнению с традиционными. Цифровой измеритель выполнен на базе 32-разрядного микропроцессора с ядром Cortex M4. Измерительный цикл состоит из двух последовательных определений амплитуды выходного сигнала при двух разных значениях напряжения компенсации, вырабатываемых микроконтроллером. Микроконтроллер также генерирует колебания вибратора, что позволяет осуществить общую синхронизацию генерации колебаний и считывания измерительного сигнала. Массив данных может быть обработан в режиме реального времени средствами цифровой обработки сигнала (DSP) микроконтроллера. При этом возможно вычисление среднеквадратичного значения или определение величины необходимой спектральной линии сигнала после быстрого преобразования Фурье. Оба метода позволяют отстроится от случайных помех и паразитных гармоник. Цифровой метод обеспечивает работу измерителя контактной разности потенциалов в режиме больших сигналов при большом соотношении сигнал/шум, что исключает область неопределенности, имеющуюся в аналоговом измерителе, и погрешность, связанную с поиском нулевого сигнала. Отсутствует необходимость интеграции для автокомпенсации измеряемой величины, что в несколько десятков раз (зависит от частоты колебаний динамического конденсатора) уменьшает время измерений и исключает погрешности следящей системы и цифро-аналогового преобразования. Кроме выполнения необходимых манипуляций по определению контактной разности потенциалов, микроконтроллер может также управлять перемещением зонда при сканировании, осуществлять передачу данных на хост-компьютер по USB интерфейсу и т.п.

Универсальный цифровой зондовый электрометр для контроля полупроводниковых пластин

Non-contact electrical methods are widely used for research and control of semiconductor wafers. The methods are usually based on surface potential measurement (CPD) in combination with illumination and/or deposition of charges on the sample using a corona discharge, and are also based on the measurement of surface photo-emf. By photo-EMF (SPV) it is possible to determine the lifetime of minor charge carriers, their diffusion length and detect traces of heavy metals on the surface. In addition, using photo-EMF it is possible to determine the surface resistance of the plate, some parameters of the dielectric layer on the surface and barrier photo-EMF (JPV). Electrical performance results reflect the influence of near-surface characteristics on the final performance of devices. The aim of the work was to develop a universal digital probe electrometer that implements various non-contact electrical methods for analyzing semiconductor wafers, in which the change in operating modes and configuration, transmission of the received data, remote testing and calibration are carried out via digital local control channels. This paper describes a universal digital probe electrometer developed by the authors, which implements the above-described non-contact electrical methods for analyzing semiconductor wafers (CPD, SPV and JPV), in which the change in operating modes and configuration, transmission of the received data, remote testing and calibration are carried out via digital local control channels. Due to their high speed, electrical characterization methods are suitable for inspecting semiconductor wafers during production. The results of testing the developed probe electrometer in CPD, SPV and JPV modes are presented, which reflect the effectiveness of the proposed approaches.Для исследования и контроля полупроводниковых пластин широко используются бесконтактные электрические методы, основанные на измерении потенциала поверхности (CPD) в сочетании с освещением и/или осаждением зарядов на образец с помощью коронного разряда, а также на измерении поверхностной фото-ЭДС (SPV). По фото-ЭДС возможно определение времени жизни неосновных носителей заряда, их диффузионную длину и обнаружение следов тяжелых металлов на поверхности. Кроме того, с использованием фото-ЭДС возможно определение поверхностного сопротивления полупроводниковой пластины, некоторые параметры слоя диэлектрика на поверхности и барьерную фото-ЭДС (JPV). Результаты измерения электрических параметров отражают влияние приповерхностных характеристик на конечные характеристики устройств. Целью работы являлась разработка универсального цифрового зондового электрометра, реализующего различные бесконтактные электрические методы анализа полупроводниковых пластин, в котором передача полученных данных, изменение конфигурации, удалённое тестирование и калибровка осуществляются по цифровым каналам локального управления. В работе описан разработанный авторами универсальный цифровой зондовый электрометр, реализующий описанные выше бесконтактные электрические методы анализа полупроводниковых пластин (CPD, SPV и JPV). Управление электрометром, включающее передачу полученных данных, изменение конфигурации, удалённое тестирование и калибровка, осуществляется по цифровым каналам локального управления. Благодаря высокому быстродействию методы определения электрических характеристик подходят для контроля полупроводниковых пластин в процессе производства. Приведены результаты тестирования разработанного зондового электрометра в режимах CPD, SPV и JPV, отражающие эффективность предложенных подходов

Измерительные преобразователи систем оптической диагностики с многофункциональными одноэлементными фотоприемниками

Modern measuring transducers for optical diagnostic system should perform automatic parameter estimation of optical signal and automatic switching between different energetic and optical sensitivity ranges. Traditional solution of this problem lies in the field of multi-sensory systems, complex optical schemes and complex signal processing algorithms. The paper aims at the development of new measuring transducers for optical diagnostic system on a basis of multifunctional unitary photovoltaic converters built on semiconductors with low-concentration deep dopants that form multiple energy levels for different charge states in the band gap. Relative complexity of physical processes accompanying the recharge of several energy levels of multiply-charged deep dopant makes it possible to realize the multifunctionality of a photoelectric converter albeit simple sensor design.The proposed unitary photovoltaic converters proved to have extended functional characteristics and increased ranges of energetic characteristic (by dozens dB) and spectral sensitivity characteristic with possible shifts of red margin by 2 to 4 μm in the spectral sensitivity range of 1–10 μm. Energetic and spectral sensitivity characteristic ranges could be switched either by measurement signal itself or by additional control inputs. Possible materials for resistive or barrier photovoltaic converter structure are Germanium, Silicon, А3В5 systems and other semiconductors including that compatible with «non-silicon» technologies and structures on sapphire substrate.Современные измерительные преобразователи систем оптической диагностики должны автоматически оценивать параметры оптического сигнала и переключаться между различными диапазонами энергетической и спектральной характеристиками чувствительности. Это требует применения нескольких фотоприемников, сложных оптических схем и сложных алгоритмов обработки измерительных сигналов. Целью работы являлся анализ применимости многофункциональных одноэлементных фотоэлектрических преобразователей на базе полупроводников с низкой концентрацией глубокой примеси, формирующей в запрещенной зоне несколько энергетических уровней для разных зарядовых состояний, в измерительных преобразователях систем оптической диагностики.Относительная сложность физических процессов при перезарядке нескольких энергетических уровней многозарядной глубокой примеси позволяет реализовать многофункциональность фотоэлектрического преобразователя при простой конструкции чувствительного элемента.Показано, что фотоэлектрические одноэлементные преобразователи характеризуются расширенными функциональными характеристиками и увеличенными диапазонами энергетической (на несколько десятков децибел) и спектральной характеристик чувствительности (со сдвигом на 2–4 мкм в диапазоне спектральной чувствительности 1–10 мкм) с возможностью переключения между поддиапазонами энергетической и спектральной характеристик чувствительности под действием как измерительного сигнала, так и дополнительных управляющих воздействий. В качестве основного материала резистивной или барьерной структуры фотоприемника могут использоваться германий, кремний, полупроводниковые соединения типа А3В5 и другие материалы, в том числе совместимые с «не кремниевыми» технологиями и структурами на сапфировых подложках

Интеллектуальный сенсор для измерительных систем, работающих по схеме синусоидальное возбуждение – отклик

Measuring devices and systems containing sensors that require sinusoidal excitation are widely used in information and measurement technology both in production conditions and in research practice. Examples include various types of metal detectors, eddy current flaw detectors, analyzers of liquid media, electrometers with a dynamic capacitor, etc. The aim of the work was to develop the optimal architecture and algorithms for the operation of intelligent sensors intended for use in measuring systems operating according to the sinusoidal excitation – response scheme.This paper describes the approach proposed by the authors to the construction of intelligent sensors based on modern microcontrollers, the distinctive feature of which is the continuous generation of sinusoidal excitation and reading responses in the background, as well as setting the readiness flags for data processing in the main process of the microprocessor, which ensures uninterrupted execution of background processes, the main of which is the generation of a sinusoidal excitatory action.This approach has been tested in the development of charge-sensitive surface mapping systems, such as the Kelvin probe based on a vibrating capacitor, and the surface photo voltage probe for the case of semiconductors.Измерительные приборы и системы, содержащие датчики, требующие синусоидальное возбуждающее воздействие, широко используются в информационно-измерительной технике как в производственных условиях, так и в исследовательской практике. В качестве примеров можно привести различные типы металлоискателей, вихретоковые дефектоскопы, анализаторы жидких сред, электрометры с динамическим конденсатором и др. Целью работы являлась разработка оптимальной архитектуры и алгоритмов работы интеллектуальных сенсоров, предназначенных для использования в измерительных системах, работающих по схеме синусоидальное возбуждение – отклик.В настоящей работе описан предложенный авторами подход к построению интеллектуальных сенсоров на базе современных микроконтроллеров, отличительной особенностью которого является непрерывная генерация синусоидальных воздействий и считывание откликов в фоновом режиме, а также выставление флагов готовности для обработки данных в основном процессе микропроцессора, что обеспечивает бесперебойное выполнение фоновых процессов, главным из которых является генерация синусоидального возбуждающего воздействия.Данный подход опробован при разработке систем картирования поверхностей зарядочувствительными методами, такими как зонд Кельвина, на основе динамического конденсатора, и зонд поверхностной фото-ЭДС для случая полупроводников