МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДА КЕЛЬВИНА

A mathematical model of cylindrical shaped plane-ended scanning Kelvin probe output signal is proposed considering the case of an infinite plane sample's surface with local defects represented by dot charges. Modeling results were obtained for the case of two closely situated dot charges anddifferent combinations of scanning Kelvin probe tip's diameter and sample-to-probe gap. It was found that the most effective way to improve the lateral resolution of a scanning Kelvin probe is to reduce the sample-to-probe gap in line with the reduction of sensor's vibration amplitude.Предложена математическая модель формирования выходного сигнала сканирующего зонда Кельвина с цилиндрическим чувствительным элементом при сканировании поверхности образца, содержащей дефекты, представленные точечными зарядами. Приведены результаты моделирования для случая двух близкорасположенных точечных зарядов при различных соотношениях диаметра чувствительного элемента сканирующего зонда Кельвина и зазора «зонд-образец». Показано, что наиболее эффективным путем повышения разрешающей способности сканирующего зонда Кельвина является уменьшение расстояния между чувствительным элементом и поверхностью исследуемого образца при уменьшении амплитуды вибрации чувствительного элемента

КОМПЕНСАЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПРИ УМЕНЬШЕНИИ РАЗМЕРОВ ЗОНДА КЕЛЬВИНА

The study is based on results of modeling of measurement circuit containing vibrating-plate capacitor using a complex-harmonic analysis technique. Low value of normalized frequency of small-sized scanning Kelvin probe leads to high distortion factor of probe’s measurement signal that in turn leads to high measurement errors. The way to lower measurement errors is to register measurement signal on its second harmonic and to control the probe-to-sample gap by monitoring the ratio between the second and the first harmonics’ amplitudes.Представлены результаты моделирования измерительной цепи, содержащей динамический конденсатор, методом комплексно-гармонического анализа. Из-за малого значения нормированной частоты вибрации измерительный сигнал зонда Кельвина с чувствительным элементом малых размеров характеризуется значительными гармоническими искажениями, приводящими к резкому увеличению погрешности измерений. Уменьшение погрешностей может быть обеспечено за счет регистрации сигнала на его второй гармонике и контроля величины зазора зонд-образец на основе измерений отношения амплитуд первой и второй гармоники сигнала.

АНАЛИЗ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОТЕНЦИАЛА ДИЭЛЕКТРИКОВ ПО СХЕМЕ ТОКОВОЙ КОМПЕНСАЦИИ

The comparative analysis of time-varying probe methods of measurement of a surface potential is held. Regarding contactless measurement of dielectrics' surface potential in a wide range of meanings, a current feedback scheme is found to be optimal. Advantages of this scheme are high spatial resolution, a wide measuring range and an independence of output signal on a probe-to-surface gap in a certain range of gap meanings. Metrological characteristics of the scheme are analyzed resulting in a mathematical expression for a normalized methodical measurement error.Проведен сравнительный анализ динамических зондовых методов измерения поверхностного потенциала. Показано, что для бесконтактных измерений поверхностного потенциала диэлектриков в широком диапазоне значений оптимальным является использование схемы с токовой компенсацией. Преимуществами данной схемы являются высокое пространственное разрешение, широкий диапазон измерений поверхностного потенциала, независимость измерительного сигнала от расстояния между зондом и исследуемой поверхностью в пределах определенного диапазона расстояний. Проанализированы метрологические характеристики предлагаемой схемы и получена расчетная формула для определения предела приведенной методической погрешности измерения

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

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

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СРЕДСТВ ЗОНДВОЙ ЭЛЕКТРОМЕТРИИ

A transducer function of probe electrometer’s primary capacitive sensor was calculated using a harmonic complex analysis technique. The obtained expression allows analyzing metrological characteristics of the circuit containing the dynamic capacitor at any values of its parameters. Study of circuit's peak-frequency and phase-frequency characteristics was held giving recommendations on using of different parts of frequency characteristic when designing measuring systems on a basis of dynamic capacitor.Для определения функции преобразования емкостного первичного преобразователя зондового электрометра использован метод комплексно-гармонического анализа. Получено выражение, позволяющее анализировать метрологические характеристики цепи, содержащей динамический конденсатор при любых значениях ее параметров. Проанализированы амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики цепи и выработаны рекомендации по использованию различных участков частотной характеристики при проектировании средств измерений на основе динамического конденсатора

Определение типа и концентрации растворов электролитов на основе анализа потенциодинамических кривых

The paper shows the results of experimental investigation of non-stable regimes of excitation of electrode system of conductivity measuring cell. The analysis of experimental data based on existing theory of electrode processes has been made. The interpretation of non-conventional results concerning the dependence of conductivity measuring cell current on voltage excitation has been given. It has been shown that with certain parameters of excitation potentiodynamic curves significantly differ for various types of solutions (in particular for acid and alkali media) that makes it possible to use the regime of analysis of these curves for determination of type and concentration of a solution. Operational diagram of the device using the detected effect is given in the paper.Рассмотрены результаты экспериментального исследования неустановившихся режимов возбуждения электродной системы кондуктометрической ячейки. Приведен анализ экспериментальных данных на основе существующей теории электродных процессов. Предложена трактовка результатов, отклоняющихся от канонической закономерности зависимости тока кондуктометрической ячейки от напряжения возбуждения. Показано, что при определенных параметрах возбуждения потенциодинамические кривые существенно различаются для растворов различных типов (в частности, для кислотных и щелочных сред), что позволяет использовать режим анализа данных кривых для определения типа и концентрации раствора. Приведена функциональная схема устройства, использующего обнаруженный эффект

КОНТРОЛЬ ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ КРЕМНИЙ-ДИЭЛЕКТРИК НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ПО ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН

The matter of the study is application of contact potential difference and band bending visualization technique based on Kelvin–Ziesman technique to the non-destructive testing and defects study of a silicon-insulator structure. Experiments were held using a thermally oxidized boron-doped silicon wafer. Visualized defect distribution map is in a good agreement with a preliminary data on defectproducing factors. Results compared to ellipsometry data show that CPD visualization data is not influenced by presence and thickness of insulating layer.Рассмотрено применение метода Кельвина–Зисмана (контактной разности потенциалов) для неразрушающего контроля и выявления дефектов структур кремний-диэлектрик. Метод использовался для визуализации распределения электрического потенциала поверхности и изгиба энергетических зон по поверхности термически окисленной кремниевой пластины, легированной бором. Полученная картина распределения дефектов находится в хорошем согласии с данными о влиянии дефектообразующих факторов. Сопоставление результатов визуализации потенциала поверхности с данными, полученными методом эллипсометрии, показало, что наличие и толщина диэлектрического слоя не оказывают влияния на результаты контроля