Analogtipp Lichtgesteuerter Generator für steilflankige Signale

Bei der Messung der Oberflächenphotospannung erschwert die Leitungslänge die korrekte Abbildung der Signalkomponenten. Dieser Analogtipp stellt eine Schaltung mit Phantomprobe vor, die ein standardisiertes breitbandiges Messsignal abgibt, dafür aber keine längere Kabelverbindung benötigt.

Die bei Forschungsarbeiten an Halbleitermaterialien übliche Messung der Oberflächenphotospannung (SPV) kann erfolgen wie in Bild 1 links dargestellt: In der Vakuumkammer (VK) ist das Testobjekt auf dem Probenhalter (PH) fixiert. Sehr kurze Lichtblitze (L) verschiedener Wellenlänge gelangen durch das Fenster (F) auf die Probe. Die Änderung von deren Oberflächenpotential überträgt sich kapazitiv auf die perforierte Elektrode (E). Das Messsignal wird von einem Ladungsverstärker ausgewertet, der außen an die Durchführung (D) angeflanscht ist.

Eine korrekte Abbildung der Signalkomponenten im Zeitbereich von Nanosekunden bis Millisekunden wird durch die konstruktiv bedingte Länge der Leitungen L1 und L2 erschwert. Für die empirisch erfolgende Entwicklung und Optimierung der Verstärkertechnik wäre eine zum Probenhalter kompatible Phantomprobe hilfreich, die ein standardisiertes breitbandiges Messsignal abgibt, dafür aber keine weitere Kabelverbindung benötigt, da diese die Feldverteilung in der Kammer verändern könnte.

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Die Aufgabe wird durch die Schaltung rechts in Bild 1 gelöst. Das kleine Blech simuliert die Probenoberseite und ist knapp über der Massefläche der Platine isoliert angebracht. Langsam moduliertes Licht von einer LED oder – im einfachsten Fall – einer Taschenlampe leuchtet durch je eine Bohrung in Elektrode und Platine auf die Photodiode BPW34. Die benötigte Lichtleistung liegt in der Größenordnung von 1 µW.

Der nachfolgende Komparator und ein schnelles CMOS-Gatter, jeweils mit Hysterese, lassen die Spannung der Elektrode abrupt zwischen 0 und +3 V alternieren, mit einer Anstiegszeit <1 ns und ohne Dachabfall. Das entspricht einem sehr breiten Frequenzband des Testsignals, mehr als hinreichend zur Simulation der üblichen Halbleiter oder sonstigen Untersuchungsobjekte.

Die Optimierung des Ladungsverstärkers auf schnelle Anstiegszeit ohne Überschwingen sowie auf langsamen Dachabfall kann nun „offline“ erfolgen, ohne dass dafür eine echte Probe, ein zu ihrer Bestrahlung erforderlicher leistungsstarker Impulslaser oder Vakuumbedingungen notwendig sind.

Die wenigen Bauteile der Phantomprobe und die kleine Lithium-Knopfzelle befinden sich auf der Platinenunterseite. Die Schaltung hat einen Ruhestromverbrauch von ca. 6 µA. Bei Modulation mit LED-Licht erhöht sich der Strombedarf: auf 12 µA bei einer Folgefrequenz von 100 Hz, auf 20 µA bei 200 Hz und auf 40 µA bei 500 Hz.

Neben dieser Spezialversion, die für das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie gefertigt wurde, könnten ähnliche lichtgesteuerte Generatoren auch bei anderen Messungen nützlich sein, etwa zur Untersuchung der EMV-Eigenschaften sensitiver HF-Komponenten.

In einem Gerät oder einer Messkammer würden ein oder mehrere solcher Module an kritischen Stellen platziert. Durch von außen eingestrahltes gechoppertes Licht lassen sie sich separat aktivieren, woraufhin sie ihre steilflankigen Signale über kleine E-Feld-Antennen abstrahlen.

Ein solches Modul, hardwaremäßig auf 20 ns Impulsbreite justiert, wurde testhalber mit 1 kHz Folgefrequenz angesteuert und lieferte ein Ausgangssignal wie in Bild 6 (nur online) oszilloskopisch dargestellt.

Die linke Hälfte zeigt den Zeitverlauf des Signals, eine Folge von Nadelimpulsen. Rechts im Bild ist ein 50 kHz breiter Ausschnitt des vom Oszilloskop errechneten FFT-Spektrums zu sehen, das erwartungsgemäß aus einer dichten Folge von Frequenzlinien mit 1 kHz Abstand besteht.

Dieses Modul hat als Treiberstufe ebenfalls ein LVC-Gatter, so dass auch hier eine Flankensteilheit von unter 1 ns gewährleistet ist.

Bild 2 zeigt das beschriebene Modul in der Draufsicht. Das 5 mm x 5 mm große Kupferblech mit der mittigen Bohrung für den Lichteintritt wird vom CMOS-Gatter mit den steilflankigen 3-V-Potentialsprüngen beaufschlagt. (Übliche Halbleiterproben, angeregt durch ns-kurze Lichtimpulse eines durchstimmbaren Lasers, geben SPV-Spitzenwerte im Millivoltbereich ab, gefolgt von Abklingverläufen mit unterschiedlicher Form und Dauer.)

Die Seitenansicht in Bild 3 lässt die auf der Platinenunterseite befindlichen Bauelemente und die Knopfzelle erkennen. Die Spiralfedern am rechten und linken Rand sind mit der oberseitigen verzinnten Fläche verbunden und stellen nach dem Einschieben des Moduls in den Probenhalter den Massekontakt her.

Für Bild 4 wurde das mit 113 Hz modulierte Licht einer LED auf die Phantomprobe gestrahlt. Kanal 1 (rot) bildet das LED-Ansteuersignal ab, Kanal 2 (grün) das mittels 10:1-Tastkopf direkt am 5-mm-x-5-mm-Pad anliegende Signal mit 3 V Sprunghöhe. Als Oszilloskop fand ein Rigol MHO984 Verwendung.

Die unsymmetrischen Verzögerungen, bedingt durch die hochohmige Beschaltung des verbrauchsarmen, aber auch langsamen Operationsverstärkers MCP6421, sind bei einigen 100 Hz zunehmend auffällig. Im späteren Betrieb sind 10 Hz üblich, angepasst an die häufig verwendete Impulsfolgefrequenz des durchstimmbaren Lasers und an die mitunter lange Abklingzeit der mittels SPV-Messung untersuchten Halbleiterproben.

Bild 5: wie zuvor, aber mit geänderten Oszilloskopeinstellungen. Die hier ablesbare Anstiegszeit von 1,9 ns wird überwiegend durch den 10:1-Tastkopf verursacht, dessen Bandbreite mit 150 MHz angegeben ist. Bei einer Vergleichsmessung direkt am Ausgang des CMOS-Gatters 74LVC1G14 (über 47-Ohm-Reihenwiderstand und ein kurzes RG58-Kabel zum Oszilloskop, dieses mit 50 Ohm terminiert) ließ sich t_on = t_off ≈ 600 ps ausmachen.

Mit einer gegenüber Bild 1 modifizierten Schaltung konnte das in Bild 6 dargestellte Ausgangssignal beobachtet werden, links als zeitlicher Verlauf u(t) und rechts als kleiner Ausschnitt des Frequenzspektrums u(f).

Bei einer Impulsbreite von 20 ns tritt die erste Nullstelle dieses Spektrums bei 50 MHz auf. Solche und ähnliche Impulsfolgen könnten als E-Feld-Testsignale über Antennen-Pads abgestrahlt werden, um innerhalb elektronischer Geräte deren Störfestigkeit zu überprüfen. Die kleinen batteriebetriebenen Module würden durch eingestrahltes moduliertes Licht aktiviert, wobei die Modulationsfrequenz den Abstand der Linien im Frequenzspektrum festlegt. (kr)

* Michael Franke ist Inhaber der Elektronikmanufaktur Mahlsdorf.

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