MFIAのDLTS測定用の方形パルス
MFIA 5MHz インピーダンスアナライザ / 高精度 LCRメーター
方形電圧パルスの生成とキャパシタンス過渡現象の捕捉
このブログ記事では、例えば、深準位過渡分光法（DLTS）測定のために、方形電圧パルスを生成し、結果として生じる容量過渡現象を短い時間スケール（20 µs）でキャプチャする方法を示します。LabOne Threshold Unit（MFIA に標準装備）を使用すると、定義可能な電圧オフセットと最大 10 V の振幅を持つ方形パルスを生成できます。これは、このアプリケーションノートでさらに詳しく説明されているように、MFIA（または MF-IA オプション付きの MFLI ）が、キャパシタンスメーター、DAC カードやパルスジェネレータなど、DLTS に必要な多くの機器を置き換えることができることを意味します。
DLTS は、半導体中の欠陥の濃度とキャリア結合エネルギーの両方を調べるための強力で一般的に使用されている技術です。この技術は本質的に異なる温度での容量過渡現象を測定することを含みます。MOSFET、太陽電池、OLED、ショットキーダイオード、TFT などのデバイスや材料の特性評価に一般的に使用されています。
方形波電圧パルスの設定
図1：MFIAで方形波電圧パルスを生成するためのLabOneのThreshold UnitとAuxタブの設定
図1 は方形波電圧パルスを設定するために必要な手順を示しています。
各ステップの詳細は次のとおりです。
-
①４つのしきい値単位のうちの１つの信号入力を「TU 出力値」になるように選択します。ロジックユニットのサブタブでこの信号を反転して、出力がゼロまたは 1 になるリングオシレータを作成します。
-
②図1 のステップ 2 で強調表示されているように、有効化フィールドと無効化フィールドに遅延を設定します。有効化と無効化にそれぞれ300ミリ秒と1秒を選択しました。
-
③次に Aux タブに移動し、Aux Output 1 の出力を、手順1 で定義したしきい値ユニットの出力で定義されるように設定します。MFIA の前面パネルで、Aux Ouput 1 を Aux Input 1 に BNCケーブルで接続します。（図2 を参照）
-
④スケーリングとオフセットは希望の電圧に設定できます。負の倍率を使用すると、パルスを反転させることができます。限界が予想される出力と一致することを確認するように注意してください。
-
⑤プロッタタブを開き、トレース「Signal 1 Aux in 1」を追加してパルスを表示し、必要に応じてオフセットと振幅を調整します。
ロックインタブで、Signal Output フィールドの Add チェックボックスをオンにします。これにより、補助入力1 の電圧が AC テスト信号に追加されます。また、MFIA の出力範囲が希望のパルス電圧よりも大きいことを確認してください。これは、図3 に示すように、[インピーダンスアナライザ] タブの詳細モードで設定できます。
図2：MFITF フィクスチャと AUX 入力1 を短い BNC ケーブルで AUX 入力1 に接続した MFIA。市販の単結晶太陽電池は、MFITF に挿入された MFITF サンプルキャリア上に取り付けられています。
電圧パルス印加中の静電容量（または他のインピーダンスパラメーター）の測定
LabOne Impedance Analyzer タブを開いて有効にします。サンプルに合わせて設定を構成するか、出発点として図3 に示す設定を使用してください。1 MHz で 100 mV の AC テスト信号を使用して、４端子モードで単結晶太陽電池（Digikey KXOB22-04X3L-ND、図2 に表示）を測定しています。図3 で強調表示されているフィールドを参照しながら、キャパシタンストランジェントを測定する際のヒントをいくつか紹介します。
-
①キャパシタンス過渡現象を捉えるのに十分な速さになるように最大帯域幅を増やします。
-
②データ転送速度を、希望の時間分解能（107 kSa が最大）を得るのに十分な速さになるように上げます。
-
③電圧信号の出力範囲が、パルスと AC テスト信号の両方を生成できるように十分に大きいことを確認します。
-
④現在の入力範囲になったら手動モードに切り替えます。これにより、不要な範囲の変更を回避できます。
図3：LabOne Impedance Analyzer タブ。太陽電池サンプルの静電容量の測定に使用される設定を示しています。すべてのオプションを表示するには、詳細モードを選択する必要があります。
インピーダンス測定設定が設定されたら、LabOne Plotter タブを開き、測定する信号（たとえば、キャパシタンス）を「Signal 1 Aux in 1」トレースと一緒に垂直軸グループに追加します。これで、DC バイアス電圧パルスと静電容量の両方を同時に見ることができます。図4 は、赤の静電容量と青のDC電圧バイアスの対応する方形パルスの２つのトレースを示しています。ゼロ DC バイアスで測定された静電容量は 1.6 nF、1 V のバイアスでは 2.3 nF です。
図4：LabOne プロッタモジュールの静電容量（赤いトレース）と対応する DC バイアス電圧（青いトレース）。電圧パルスの振幅は 1 V、オフセットは +0.5 V です。1 V パルスの幅は 1 s です。オシロスコープ測定（図示せず）は、電圧ステップに必要な時間が 18 ns であることを明らかにします。
高度なトリガを必要とするより速い測定のためには、LabOne DAQ モジュールを使用するべきです。DAQ モジュールを使用すると、必要なポイント数を定義でき、柔軟なトリガ設定により、ステップ前の定常状態を含む完全なトランジェントを確実にキャプチャできます。 図5 (a) は、DAQ モジュールで 1 ms の電圧パルス幅で収集したデータを示しています。図5 (b) は、電圧が 1 V から 0 V に変化するポイントでのタイムベースズームを示しています。これは、リセットの前（2.3 nF）と後（1.6 nF）に静電容量の値が正確に測定されることを示します。MFIA がこれらの正確な静電容量測定値を取得するのに必要な時間はわずか 20μs です。
図5：LabOne DAQ モジュールの静電容量（赤いトレース）と対応する DC バイアス電圧（青いトレース）。図5 (a) は、パルス幅が 3 ms の遅延で 1 ms になることを示しています。図5 (b) は同じトレースを示していますが、DC バイアス電圧を 1 V から 0 V にリセットする前後で容量を正確に測定するのに必要な短時間を示すためにタイムベースを拡大して示しています。注意：電圧ステップは 20 μs より速いですが、データポイント密度はこれを捕らえません。オシロスコープ測定（図示せず）は、電圧ステップに必要な時間が 18 ns であることを明らかにします。
結論
このブログ投稿では、MFIA がどのように方形波電圧パルスを生成し、その結果生じる容量過渡現象を確実に測定することができるかを示しています。このデモンストレーションに使用する被試験デバイスは、1 MHz で 100 mV の AC テスト信号で測定された単結晶太陽電池です。MFIA は、電圧パルスを印加する前（2.3 nF）と印加した後（1.6 nF）の静電容量を、わずか 20 µsの時間分解能で測定できます。
MFIA のこの機能は、DLTS 設定のパフォーマンスと柔軟性を向上させると同時に複雑さを軽減したいユーザにとって非常に役立ちます。MFIA は、容量計、DAC カード、およびパルス発生器を単一の小型フットプリント機器に置き換えることができます。Boonton 7200 などの既存の機器と比較して MFIA の容量範囲が拡大され、テスト信号周波数を 1 mHz〜5 MHz の間で自由に設定できるため、ユーザは DLTS 測定の範囲を広げることができます。
デモや、アナログまたはデジタル出力を使用した温度制御など、DLTS 測定に MFIA を使用する方法の詳細については、お問い合わせください。