Amplificatore lock-in ad assestamento veloce per misure DLTS con un AFM a punta conduttiva

This work presents a fast settling transimpedence amplifier with a built-in lock-in system in standard CMOS 0.35\mu m technology suited for sensing current signals from a conductive AFM tip to characterize semiconductor materials through DLTS measures. The circuit, based on an integrator followed by an high-pass filter, a chopper and a sinc filter, features i) a low-noise time-continuous feedback loop to manage possible DC currents from the device under test as high as a few tens of nA without limiting the signal dynamic range; ii) active current-reducers to implement low-noise high value equivalent resistances with high linearity irrespective of the current direction and characterized by a shot noise current 2qI which is, up to a few hundreds of nA, negligible respect to the noise of the amplifier; iii) amplifiers with current buffer compensation network to ensure strong stability over a closed loop bandwidth of 80MHz. Thanks to the auxiliary logic circuitry, its fast settling time and the custom transfer function the circuit is suitable for both classic and Laplace DLTS measurements with a time resolution of 100ns. An input equivalent current noise of 340fA/\sqrt{Hz} at 10MHz makes it able to work with capacitances values in the range of aF, typical of an AFM reading.

Questo lavoro presenta un amplificatore a transimpedenza ad assestamento rapido con incorporato un sistema lock-in in tecnologia standard CMOS 0.35 \mu m adatto per la lettura di segnali di corrente provenienti dalla punta conduttiva di un AFM al fine di caratterizzare materiali semiconduttori tramite misure DLTS. Il circuito, basato su un integratore seguito da un filtro passa-alto, un chopper e un filtro sinc, include i) una rete di feedback tempo-continua a basso rumore per gestire le possibile correnti DC generate dal dispositivo fino a qualche decina di nA senza limitare il range dinamico del segnale; ii) riduttori di corrente attivi per implementare resistenze equivalenti di alto valore e basso con un'elevata linearità indipendente dal verso delle correnti e caratterizzati da un rumore shot di corrente 2qI che, fino a qualche centinaio di nA, è trascurabile rispetto al rumore dell'amplificatore; iii) amplificatori con una rete di compensazione a buffer di corrente per assicurare una solida stabilità su una banda ad anello chiuso di 80MHz. Grazie ai circuiti logici ausiliari. ai suoi brevi tempi di assestamento e alla particolare funzione di trasferimento il circuito è adatto sia per realizzale la classica DLTS che la sua variante digitale (L-DLTS) con una risoluzione temporale di 100ns. Un rumore equivalente di corrente in ingresso di 340fA/\sqrt{Hz} a 10MHz permette di lavorare con valori di capacità nell'ordine degli aF, tipici di una lettura AFM.