РЕЗОНАНСНАЯ МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕН МЕДЛЕННОЙ РЕЛАКСАЦИИ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЁНКАХ

January 16, 2013 by admin Комментировать »

Козырев А. Б., Гайдуков М. М., Гагарин А. Г., Алтынников А. Г. Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет (ЛЭТИ) ул. проф. Попова 5, г. Санкт-Петербург, 197376, Россия тел.: (812) 2344809, e-mail: mcl@eltech.ru

Аннотация – Рассмотрен способ измерения времён медленной релаксации диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрических плёнок (СЭ) при воздействии импульсного управляющего напряжения.

I.                                       Введение

Q – добротность резонатора. При добротности Q-100 и частоте f~1.5 ГГц т~1 С® с.

Исследования свойств СЭ элементов показали, что после СНЯТИЯ управляющего напряжения первоначальное значение емкости восстанавливается не мгновенно, а с достаточно большим временем релаксации. При импульсном управлении это эквивалентно снижению управляемости (часто весьма значительному) и неоднозначности номинала емкости в паузе. При исследованиях времен релаксации необходимо предусмотреть возможность проведения измерений как с короткозамкнутыми электродами (режим КЗ), так и с разомкнутыми электродами (режим XX).

II.                              Основная часть

Рис. 1. Изменение ёмкости СЭ конденсатора под воздействие периодических импульсов.

Для исследования времен медленной релаксации был использован разработанный ранее резонансный метод измерения СВЧ параметров СЭ конденсаторов [1]. Измерительный резонатор на основе отрезка симметричной полосковой линии с коротким замыканием по СВЧ сигналу на концах резонансного объема включался в измерительную СВЧ цепь через ёмкости связи. Это обеспечивало гальваническую развязку СВЧ цепи и цепи управления и позволяло реализовать условие короткого замыкания (КЗ) или холостого хода (XX) по управляющему постоянному напряжению.

Fig. 1. FE varactor capacitance variation under periodical pulses

Возможность помещения измерительного резонатора в криостат (термостат) позволяет проводить исследования в достаточно широком диапазоне температур.

Величина ёмкости определяется по измерению резонансной частоты по формуле

где с=3-10® м/с, / – электрическая длина резонатора, Zo=30 Ом – волновое сопротивление линии передачи, образующей резонатор.

Поведение емкости конденсатора на основе СЭ плёнки в параэлектрической фазе при импульсном воздействии управляющего напряжения схематично можно представить рис.1. После окончания импульса напряжения (в паузе) ёмкость скачком, вследствие малых времен релаксации СЭ мягкой моды, увеличивается до величины Соо, которая может быть существенно меньше начальной емкости. После этого начинаются процессы медленной релаксации, физическая природа которых неясна и существует целый ряд возможных моделей [2, 3], и за время паузы ёмкость увеличивается до Сот- Это эквивалентно снижению управляемости и неоднозначности номинала ёмкости.

Частотная характеристика резонатора при импульсном управлении приведена на рис. 2. Наличие двух резонансных «пиков» обусловлено тем, что при измерениях был использован свип-генератор с линейной разверткой по частоте (аналоговым изменением частоты), время развертки существенно больше, чем период повторения импульсов, а релаксационные процессы имеют медленный характер (при быстрой релаксации резонансная характеристика, соответствующая паузе, была бы «размазана»). Пределы разрешения во времени определяются постоянной времени резонатора

Puc. 2. Фотография индикатора при воздействии периодических импульсов на СЭ конденсатор, включённый в резонатор.

Fig. 2. Photo of indicator at periodical pulses’ application to varactors included in resonator

Экспериментальная проверка предлагаемой методики была проведена для плоскопараллельных МДМ конденсаторов на основе СЭ пленки [4]. Величина остаточной емкости после окончания воздействующего импульса определялась через АС= Соо- Сот – разность между величиной начальной ёмкости и величиной ёмкости в конце паузы. Зависимости при различных величинах импульсного напряжения и различных его полярностях приведены на рис.За, а изменение оста

точной емкости при увеличении времени паузы – на рис.ЗЬ. Сильное влияние полярности импульсов на эти величины можно связать с ассиметрией структуры исследованного МДМ конденсатора и, в частности, различными значениями работ выхода для различных электродов (платина и медь). Характерно также и наличие излома на зависимости АС/С (Т), что говорит о различных механизмах релаксации.

Рис. 3. Зависимости АС/С(0) от амплитуды импульса (а) и от времени паузы (Ь).

Fig. 3. Dependencies of АС/С(0) on pulse amplitude

III.                                  Заключение

Резонансный метод измерения времён медленной релаксации диэлектрической проницаемости конденсаторов на основе сегнетоэлектрических пленок позволяет проводить измерения при различных длительностях импульсов и периодах их повторения и обеспечивает достаточно высокую точность.

Работа выполнена при поддержке программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006 – 2008 годы)», проект РНП 2.1.2.7083.

[ЦА. В. Kozyrev, V. N. Keis, G. Koepf, R. Yandrofsi<i et al. Procedure of microwave investigations of ferroelectric films and tunable microwave devices based on ferroelectric films. Microelectronic Engineering, 1995, 29, p. 257-260.

[2]  Yu. A. Boii^ov, B. IVI. Goitsman, V. K. Yarmarkin and V. V. Lemanov. Slow capacitance relaxation in (BaSr) TiOsthin films due to the oxygen vacancy redistribution. App. Phys. Lett., 2001, 78, p. 3866.

[3]  O. Г. Вендик, A. И. Дедык, P. B. Дмитриева, A. Я. Зай- ончковский и др. Гистерезис диэлектрической проницаемости титаната стронция при 4.2 К. ФТТ, 1984, 26, вып.З,

с.       684.

[4]  Г. Б. Самойлова, А. Б. Козырев, А. В. Тумаркин, А. М. Николаенко и др. Преобразователь частоты диапазона СВЧ на нелинейном сегнетоэлектрическом конденсаторе. ЖТФ, 2005, 75 вып. 10, с. 89.

MEASUREMENTS OF SLOW RELAXATION TIMES OF FERROELECTRIC FILMS BY MEANS OF RESONANCE METHOD

Kozyrev A. B., Gaidukov M. М.,

Gagarin A. G., Altynnikov A. G.

St-Petersburg Electrotechnical University (LETI)

5,        Prof Popov Str, St. Petersburg, 197376, Russia Ph.: (812) 2344809, e-mail: mcl@eltech.ru

Abstract – Measurements of slow relaxation times of ferroelectric (FE) films by resonance method under periodical voltage pulses is considered.

I.                                         Main Part

There is a phenomenon of slow capacitance relaxation after voltage application of FE film-based varactors. Method of measurement of slow relaxation time by resonance characteristic of resonator with FE varactor included under application of periodical pulses of control voltage is proposed. Two-resonance peaks that correspond to capacitance values at voltage pulse and at pulse pause are observed at indicator screen simultaneously because of sweeping time of generator is much more than a period of voltage pulses. Accuracy of time measurement is provided at 10 ° s. Experimental results measured at sandwich FE varactors are presented. Strong dependence of relaxation time on voltage amplitude and voltage polarity is observed.

II.                                        Conclusion

Resonance method of measurement of slow relaxation time of FE film-based varactors allows measuring at different pulse and pause time and provides sufficient accuracy.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты