Информационно-измерительная система для туннельной спектроскопии
Разработана современная недорогая информационно-измерительная система (ИИС) для обеспечения автоматизации экспериментов туннельной спектроскопии. Реализация только токовой развертки позволила существенно упростить аппаратную часть ИИС, обеспечить полную автоматизацию процедуры измерения ВАХ. Описаны...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Наука та інновації |
|---|---|
| Дата: | 2010 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28112 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Информационно-измерительная система для туннельной спектроскопии / И.П. Жарков, А.Н. Иващенко, В.В. Сафронов // Наука та інновації. — 2010. — Т. 6, № 3. — С. 47-52. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-28112 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Жарков, И.П. Иващенко, А.Н. Сафронов, В.В. 2011-10-28T22:09:53Z 2011-10-28T22:09:53Z 2010 Информационно-измерительная система для туннельной спектроскопии / И.П. Жарков, А.Н. Иващенко, В.В. Сафронов // Наука та інновації. — 2010. — Т. 6, № 3. — С. 47-52. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin6.03.047 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28112 Разработана современная недорогая информационно-измерительная система (ИИС) для обеспечения автоматизации экспериментов туннельной спектроскопии. Реализация только токовой развертки позволила существенно упростить аппаратную часть ИИС, обеспечить полную автоматизацию процедуры измерения ВАХ. Описаны аппаратные особенности разработанной ИИС, а также возможности созданного программного обеспечения. Розроблено сучасну недорогу інформаційно-вимірювальну систему (ІВС) для забезпечення автоматизації експериментів тунельної спектроскопії. Реалізація лише струмової розгортки дала можливість суттєво спростити апаратну частину ІВС, забезпечити повну автоматизацію процедури вимірювання ВАХ. Описані апаратні особливості розробленої ІВС, а також можливості створеного програмного забезпечення. For automation tunnel spectroscopy experiment provision the not expensive modern information-measuring system is designed. Due to the realization just current scanning it became possible to simplify the hardware component of system and to achieve full automation of voltage-ampere characteristic measurement as well. The features of hardware and possibilities of the software of system are described. The work is carried out within the framework of the Program of scientific instrument making of NAS of Ukraine, grant П2/09-40. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Наука та інновації Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Информационно-измерительная система для туннельной спектроскопии Інформаційно-вимірювальна система для тунельної спектроскопії Information-measuring system for tunnel spectroscopy Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Информационно-измерительная система для туннельной спектроскопии |
| spellingShingle |
Информационно-измерительная система для туннельной спектроскопии Жарков, И.П. Иващенко, А.Н. Сафронов, В.В. Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України |
| title_short |
Информационно-измерительная система для туннельной спектроскопии |
| title_full |
Информационно-измерительная система для туннельной спектроскопии |
| title_fullStr |
Информационно-измерительная система для туннельной спектроскопии |
| title_full_unstemmed |
Информационно-измерительная система для туннельной спектроскопии |
| title_sort |
информационно-измерительная система для туннельной спектроскопии |
| author |
Жарков, И.П. Иващенко, А.Н. Сафронов, В.В. |
| author_facet |
Жарков, И.П. Иващенко, А.Н. Сафронов, В.В. |
| topic |
Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України |
| topic_facet |
Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Наука та інновації |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Інформаційно-вимірювальна система для тунельної спектроскопії Information-measuring system for tunnel spectroscopy |
| description |
Разработана современная недорогая информационно-измерительная система (ИИС) для обеспечения автоматизации экспериментов туннельной спектроскопии. Реализация только токовой развертки позволила существенно упростить аппаратную часть ИИС, обеспечить полную автоматизацию процедуры измерения ВАХ. Описаны аппаратные особенности разработанной ИИС, а также возможности созданного программного обеспечения.
Розроблено сучасну недорогу інформаційно-вимірювальну систему (ІВС) для забезпечення автоматизації експериментів тунельної спектроскопії. Реалізація лише струмової розгортки дала можливість суттєво спростити апаратну частину ІВС, забезпечити повну автоматизацію процедури вимірювання ВАХ. Описані апаратні особливості розробленої ІВС, а також можливості створеного програмного забезпечення.
For automation tunnel spectroscopy experiment provision the not expensive modern information-measuring system is designed. Due to the realization just current scanning it became possible to simplify the hardware component of system and to achieve full automation of voltage-ampere characteristic measurement as well. The features of hardware and possibilities of the software of system are described. The work is carried out within the framework of the Program of scientific instrument making of NAS of Ukraine, grant П2/09-40.
|
| issn |
1815-2066 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28112 |
| citation_txt |
Информационно-измерительная система для туннельной спектроскопии / И.П. Жарков, А.Н. Иващенко, В.В. Сафронов // Наука та інновації. — 2010. — Т. 6, № 3. — С. 47-52. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT žarkovip informacionnoizmeritelʹnaâsistemadlâtunnelʹnoispektroskopii AT ivaŝenkoan informacionnoizmeritelʹnaâsistemadlâtunnelʹnoispektroskopii AT safronovvv informacionnoizmeritelʹnaâsistemadlâtunnelʹnoispektroskopii AT žarkovip ínformacíinovimírûvalʹnasistemadlâtunelʹnoíspektroskopíí AT ivaŝenkoan ínformacíinovimírûvalʹnasistemadlâtunelʹnoíspektroskopíí AT safronovvv ínformacíinovimírûvalʹnasistemadlâtunelʹnoíspektroskopíí AT žarkovip informationmeasuringsystemfortunnelspectroscopy AT ivaŝenkoan informationmeasuringsystemfortunnelspectroscopy AT safronovvv informationmeasuringsystemfortunnelspectroscopy |
| first_indexed |
2025-11-25T20:05:53Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:05:53Z |
| _version_ |
1850522473987047424 |
| fulltext |
47
Наука та інновації. 2010. Т. 6. № 3. С. 47—52.
© И.П. ЖАРКОВ, А.Н. ИВАЩЕНКО, В.В. САФРОНОВ, 2010
И.П. Жарков, А.Н. Иващенко, В.В. Сафронов
Институт физики НАН Украины, Киев
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ДЛЯ ТУННЕЛЬНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Разработана современная недорогая информационно-измерительная система (ИИС) для обеспечения автома-
тизации экспериментов туннельной спектроскопии. Реализация только токовой развертки позволила существенно
упростить аппаратную часть ИИС, обеспечить полную автоматизацию процедуры измерения ВАХ. Описаны аппа-
ратные особенности разработанной ИИС, а также возможности созданного программного обеспечения.
К л ю ч е в ы е с л о в а: туннельная спектроскопия, токовая развертка, динамическая проводимость.
Одним из мощных современных экспери-
ментальных методов исследования в физике
твердого тела является туннельная спектрос-
копия перехода металл–диэлектрик. Данный
метод основан на исследовании вольт-ампер-
ной характеристики (ВАХ) специально подго-
товленных образцов и позволяет получить
уникальные данные об электронном спектре
проводника.
В туннельной спектроскопии рассматрива-
ется два принципа измерения ВАХ: модуля-
ционный и метод развертки на постоянном
токе. Модуляционный метод состоит в пита-
нии образца постоянным напряжением с до-
бавлением переменной компоненты. Благода-
ря таким преимуществам, как помехозащи-
щенность, высокое разрешение и динамичес-
кий диапазон [1, 2] модуляционный способ
измерения ВАХ при туннельной спектроско-
пии наиболее распространенный. Однако из-
за сложной и дорогостоящей аппаратной реа-
лизации системы, которые основаны на моду-
ляционном методе, не производятся серийно.
Кроме того, как показано в работе [3], данный
подход имеет ограниченное применение в слу-
чае туннельных контактов с высоким сопро-
тивлением.
С развитием элементной базы микроэлект-
роники для исследования туннельных перехо-
дов все более широко используются системы,
осуществляющие развертку на постоянном
токе. Современные универсальные приборы
для исследования характеристик полупровод-
никовых приборов позволяют проводить раз-
вертку как по току, так и по напряжению [4, 5].
В то же время при значительном сопротивле-
нии туннельных контактов развертка по на-
пряжению требует применения специальных
схемных решений [3], что усложняет автома-
тизацию эксперимента.
Целью настоящей работы является раз-
работка современной системы для измере-
ния ВАХ туннельного перехода. Ориентир
на исключительно токовую развертку поз-
волил существенно упростить аппаратную
часть, а благодаря гибкой конструкции и
специализи рованному программному обес-
печению была реализована возможность
проведения широкого спектра эксперимен-
тов при полной автоматизации измерений и
48 Наука та інновації. № 3, 2010
Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
минимальных механических ком мутациях
объекта исследования.
АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ
С целью достижения поставленной цели
разработана информационно-измерительная
система (ИИС) для исследования ВАХ, струк-
турная схема которой представлена на рис. 1.
Основными структурными блоками ИИС
являются микропроцессорное устройство (МПУ)
источников тока, два унифицированных ис-
точника тока (ИТ1 и ИТ2), измерительный
модуль (ИМ), представляющий собой закон-
ченное микропроцессорное устройство серий-
ного производства ADA1406 [6]. Источники
тока выполнены по схеме с заземленной на-
грузкой, что позволяет использовать один из
них в качестве «ИТ-накачки» во время выпол-
нения развертки по-другому при исследова-
нии транзисторных структур. Весь диапазон
установки тока разбит на четыре поддиапазо-
на (±1,5 мА; ±15 мА; ±150 мА; ±1500 мА), ко-
торые устанавливаются путем релейной ком-
мутации опорных сопротивлений ИТ (R0).
Измерение падения напряжения на объекте
исследования, а также сигналов об установ-
ленном значении тока производится с помо-
щью ИМ. Входное устройство ИМ позволяет
производить поочередное подключение к АЦП
до 12-ти дифференциальных каналов. В состав
ИМ входит также два 12-ти разрядных ЦАП,
выходы которых используются для формиро-
вания опорных напряжений для ЦАП источ-
ников тока. Такой подход позволяет достичь
абсолютного значения дискретности установ-
ки тока не хуже 0,1 нА.
Автономное управление разверткой ИТ и
процедурой измерения ИМ с помощью соот-
ветствующих МПУ, а также применение быст-
родействующих микросхем ЦАП источников
тока (AD7835) и АЦП (частота дискретизации
350 кГц) позволяет проводить скоростные из-
мерения и исследовать тепловые релаксации
объекта исследования. Разрядность использо-
Рис. 1. Упрощенная структурная схема информационно-измерительной системы измерения ВАХ: ПЭВМ — персо-
нальная электронно-вычислительная машина; МПУ — микропроцессорное устройство; ИТ — источник тока; ИМ —
измерительный модуль; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ЦАП — цифроаналоговый преобразователь; R0 —
набор опорных сопротивлений, задающих предел тока
49Наука та інновації. № 3, 2010
Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
ванного АЦП (14 бит) ограничивает точность
измерения напряжения. Однако примене ние
каскадного усилителя с программируемым
коэффициентом от 1 до 800 позволило рас-
ширить динамический диапазон измерения в
сторону малых значений напряжений и до-
стичь приемлемой разрешающей способнос-
ти измерения на уровне ±5 мкВ. Измеритель-
ные данные от ИМ по интерфейсу USB пере-
даются в ПЭВМ для дальнейшей обработки и
сохранения.
Задающими ток средствами в ИТ являются
ЦАП источника тока и опорное сопротивле-
ние R0. Суммарная погрешность измерения
тока в диапазоне абсолютных значений 1 мкА ÷
1,5 А, а также напряжения в диапазоне 0,01÷
10 В не превышает ± 0,1 %.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Благодаря разработанной структуре ИИС
осуществлены широкие возможности прог рам-
мной реализации разнообразных измеритель-
ных процедур. Основными базовыми задача-
ми, которые решаются программным обес-
печением (ПО), являются:
проведение процедуры измерения ВАХ, ко-
торая состоит в развертке тока и измерении
напряжения;
обеспечение как можно более широких воз-
можностей управления процессом измерения;
обеспечение сохранения и обработки полу-
ченных экспериментальных данных.
Структура разработанного ПО представлена
на рис. 2. В соответствии с фактическим мес-
том выполнения программных алгоритмов па-
кет ПО разделен на нижний и верхний уровни.
Основными функциями ПО микропроцес-
сорного устройства ИТ являются конфигура-
ция ИТ для работы в режимах накачки/раз-
вертки и осуществление развертки тока с за-
данной скоростью. Для расширения возмож-
ностей эксперимента источники тока имеют
возможность развертки тока по одной из двух
траекторий (рис. 3) или любой их части. Пол-
ная развертка тока I по каждой из траекторий
может проводиться за время t от 2 с до 1 мин в
диапазоне максимального значения тока раз-
вертки ±Imax.
Программа микропроцессорного устройс-
тва ИМ осуществляет требуемую конфигура-
цию измерительных каналов, синхронные из-
мерения напряжения и тока по каналу развер-
тки, а также скоростную передачу данных в
компьютер.
ПО высокого уровня осуществляет переда-
чу команд конфигурации ИТ и ИМ, воспри-
Рис. 2. Структура программного обеспечения
Рис. 3. Возможные траектории развертки тока
50 Наука та інновації. № 3, 2010
Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
ментальных данных дифференцирование не-
обходимо проводить после сглаживающей ап-
проксимации. В свою очередь, сложность ап-
проксимации данных туннельной спектромет-
рии связана с резкой нелинейностью ВАХ,
немонотонностью изменения напряжения, на-
личием разрывов самой характеристики и ее
производных. В работе [3] для аппроксимации
предложено использование сгла живающего
кубического сплайна, который соответствует
нимает экспериментальные данные, проводит
их обработку и сохранение.
Важной операцией туннельной спектромет-
рии является дифференцирование ВАХ с це-
лью расчета динамической проводимости тун-
нельного перехода. Дифференцирование по-
лу ченных экспериментальных данных осу щес-
твляется с помощью пакета программ обра-
ботки данных, разработанного в среде Mat lab.
Для уменьшения влияния шумов в экспери-
Рис. 4. Упрощенный алгоритм математической обработки полученных экспериментальных данных
51Наука та інновації. № 3, 2010
Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
линии наименьшей кривизны. Данный метод
аппроксимации не позволяет учесть возмож-
ные разрывы ВАХ. Аппроксимацию разрыв-
ных характеристик нами предложено прово-
дить с использованием базисных В-сплайнов,
построенных по методу наименьших квадра-
тов (МНК-сплайны) [7]. Кроме того, для уче-
та немонотонности напряжения U произво-
дится аппроксимация функции обратной к
ВАХ U(I). Упрощенный алгоритм процедуры
математической обработки данных представ-
лен на рис. 4.
Исходные данные для обработки представ-
ляют собой набор значений напряжения Ui и
тока Ii, где і — номер измерения. Поскольку
развертка производится по току, то на траек-
ториях (рис. 3) можно выбрать участки моно-
тонного изменения I, что позволяет аппрок-
симировать функцию U(I). При аппроксима-
ции предусмотрена возможность использова-
ния сглаживающего кубического сплайна (ко-
манда «сpaps» в MATLAB) и МНК-сплайна
(команда «spap2» в MATLAB). Выбор метода
обработ ки производится оператором в зави си-
мости от свойств полученных экспери ме н та-
ль ных данных: в случае гладкой ВАХ приме-
няется сглаживающий сплайн; в случае резких
особенностей и наличия разрывов применя-
ется МНК-сплайн. При использовании сгла-
живающего сплайна предусмотрена возмож-
ность ввода параметра, характеризующего сте-
пень сглаживания данных. В случае же базис-
ного МНК-сплайна необходимо определить
вектор узлов. Данная процедура выполняется
с использованием рекомендаций [8]. В резуль-
тате аппроксимации получим аппроксимиру-
ющий сплайн σd(US).
Для определения динамической проводи-
мости определяем производную функции, об-
ратной к ВАХ . Динамическая
проводимость, определяется из выражения
.
Поскольку значениям тока I однозначно со-
ответствуют значения напряжения US, то для
расчетной зависимости динамической прово-
димости от напряжения σd (US) можем запи-
сать σd(US) = σd(I). После расчета произво-
дится визуализация функций σd (US), σd (US),
оператору предоставляется возможность рас-
печатать и/или сохранить результаты обра-
ботки на жестком диске.
ВЫВОДЫ
С целью упрощения аппаратной части экс-
периментов туннельной спектрометрии разра-
ботана недорогая современная ИИС исследо-
вания ВАХ, реализующая развертку тока в
диапазоне –1,5 ... +1,5 А с дискретностью уста-
новки тока до 0,1 нА, разрешающей способ-
ностью измерения напряжения до ±5 мкВ и
суммарной погрешностью не более ±0,1 %.
Унификация структурных блоков ИИС,
применение автономных микропроцессорных
устройств для выполнения операций установ-
ки тока и измерения позволили программно
реализовать и автоматизировать широкие воз-
можности проведения экспериментов тунне-
ль ной спектрометрии.
Разработанный программный пакет обра-
ботки экспериментальных данных позволяет
проводить аппроксимацию и дифференциро-
вание экспериментальных ВАХ с учетом не-
монотонности и наличия разрывов, а также
представлять данные в графическом и цифро-
вом виде.
Работа выполнена в рамках Программы на-
учного приборостроения НАН Украины, грант
П2/09-40.
ЛИТЕРАТУРА
1. Adler J.G., Jackson J.E. System for Observing Small
Nonlinearities in Tunnel Junctions // The Review of
Scientific Instruments. — 1966. — V. 37, N 8. – P. 1050–
1054.
2. Adler J.G., Chen T.T., Straus J. High Resolution Electron
Tunneling Spectroscopy // The Review of Scientific
Instruments. — 1971. — V. 42, N 3. – P. 362–368.
3. Дижур Е.М., Федоров А.В. Туннельная спектроскопия
на постоянном токе и цифровой метод анализа экспе-
52 Наука та інновації. № 3, 2010
Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
риментальных данных // Приборы и техника экспе-
римента. — 2005. — № 4. — С. 38—42.
4. Keithley. Приборы для измерения и тестирования.
Каталог продукции 2008. — 60 с. URL: http://www.
keithley.nnz-ipc.ru.
5. HP 4155B/4156B Semiconductor Parameter Analyzer.
URL: http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5968-
6681E.pdf
6. ADA-1406 Модуль ввода-вывода аналоговых и диск-
ретных сигналов. Руководство пользователя. ООО
«ХОЛИТ Дэйта Системс». Киев. — 17 с.
7. URL: http://www.holit.ua
8. Де Бор К. Практическое руководство по сплайнам:
Пер.с англ. — М.: Радио и связь, 1985. — 304 с.
9. He X., Shen L., Shen Z. A data-adaptive knot selection
scheme for fitting splines // Signal Processing Letters,
IEEE. — 2001 — V. 8, N 5. — P. 137—139.
І.П. Жарков, О.М. Іващенко, В.В. Сафронов
ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНА СИСТЕМА
ДЛЯ ТУНЕЛЬНОЇ СПЕКТРОСКОПІЇ
Розроблено сучасну недорогу інформаційно-вимірю-
вальну систему (ІВС) для забезпечення автоматизації
експериментів тунельної спектроскопії. Реалізація лише
струмової розгортки дала можливість суттєво спростити
апаратну частину ІВС, забезпечити повну автоматиза-
цію процедури вимірювання ВАХ. Описані апаратні
особливості розробленої ІВС, а також можливості ство-
реного програмного забезпечення.
Ключові слова: тунельна спектроскопія, струмова
розгортка, динамічна провідність.
I.P. Zharkov, O.M. Ivashchenko, V.V. Safronov
INFORMATION-MEASURING SYSTEM
FOR TUNNEL SPECTROSCOPY
For automation tunnel spectroscopy experiment provision
the not expensive modern information-measuring system is
designed. Due to the realization just current scanning it be-
came possible to simplify the hardware component of system
and to achieve full automation of voltage-ampere characteris-
tic measurement as well. The features of hardware and possi-
bilities of the software of system are described. The work is
carried out within the framework of the Program of scientific
instrument making of NAS of Ukraine, grant П2/09-40.
Key words: tunnel spectroscopy, current scanning, dy-
namic conductance.
Надійшла до редакції 19.03.10
|