多樣品霍爾效應測試設備的製作方法

2023-05-16 21:08:46 3

專利名稱：多樣品霍爾效應測試設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體材料電學參數多樣品測試設備，尤其適用例如衛星紅外探測器等的室溫或低溫半導體材料電學參數批量測試。測試樣品數為1～6片。
背景技術：
由於目前大部分霍爾測試系統中，只能實現單片樣品電學參數的自動測量。因此多片樣品的測試只能每次將單個樣品裝入樣品架進行測試，測試完畢需要將其取出再將另一片樣品裝入。工作效率比較低，只能供少量的半導體材料的測試或實驗需求，不能滿足需要批量測試的半導體材料的電學參數的測試。多樣品霍爾效應測試設備可以滿足這種要求。其通過自製的繼電器輸入輸出模塊來實現多樣品之間的切換，從而大大提高測試效率。由於這些模塊屬於自己研製，很大程度地減小了資金的投入，節省了成本。具體測試內容包括材料的電阻率，載流子濃度，載流子遷移率，材料的I-V特性等。

發明內容
綜上所述，如何克服現有技術的缺點，使之既能夠實現單個樣品的霍爾效應的自動測量，又能實現測試過程中多個樣品自動切換，以及提高工作效率，乃是本發明所要解決的技術問題，因此，本發明的目的是提供一種多樣品霍爾效應自動測試設備，特別是適用半導體材料電學性能的批量測試。
本發明技術方案如下根據本發明的一種多樣品霍爾效應自動測試設備，包括一具有信號處理功能的主系統，其具有一繼電器轉入輸出模塊，其設有連接口D4、C4和A4，其中連接口D4連接一電流源，提供測試過程的樣品電流；連接口C4連接一電壓計，用於測試信號電壓；連接口D4連接一輸入輸出信號總線，連接到被測樣品；連接口A4連接一開關量卡端子，由一5伏直流電壓源給一信號轉換模塊提供電壓源；一大功率繼電器輸入輸出模塊，接口A5連接開關量卡端子，接口B5連接一100V20A直流穩壓電源，輸出接口C5連接電磁鐵，提供測試磁場。由一12伏直流電源為信號轉換模塊提供電源；大功率繼電器輸入輸出模塊受控將輸入埠B5的電壓正向，或者反向輸出到輸出接口C5，實現對測試磁場的控制。
一為提供測試平臺和測試磁場的從系統，含有一帶水冷系統的電磁鐵，連接到大功率繼電器轉換模塊的輸出，提供受控的磁場強度；電磁鐵中間放置一液氮杜瓦，裡面放置一不鏽鋼容器，來實現被測樣品和液氮之間的隔離；不鏽鋼容器裡面放置一測試樣品架，樣品架接口通過信號總線連接到繼電器輸入輸出模塊；以及一PC機，其內裝設GPIB488卡和開關量卡，以及數字模擬輸出卡，分別用於控制電流源輸出測試過程所需樣品電流、控制測試輸出電壓的量值，以及用於輸出穩壓直流電源的控制信號，以及還在PC機中設有基於Labview的自動測試模塊，繼電器輸入輸出模塊和大功率輸入輸出控制模塊的控制模塊，勵磁電源輸出的漸升和漸降的控制模塊，I-V測試模塊，電流源控制模塊，電壓計控制模塊，開關量卡控制模塊，數字模擬卡控制模塊，數據處理模塊，電子數據存儲模塊；PC機以系統總線連接GPIB488卡，運行電流源控制模塊控制電壓計輸出樣品測試電流到繼電器輸入輸出模塊，PC機以系統總線連接開關量卡，運行開關量卡控制模塊控制繼電器輸入輸出模塊，將電流輸出到被測樣品；PC機以系統總線連接數字模擬輸出卡，運行開關量卡控制模塊控制大功率繼電器輸入輸出模塊，將直流穩壓電源和電磁鐵連通或反向連通；運行數字模擬卡控制模塊控制數字模擬卡輸出控制信號，控制直流穩壓電源，輸出勵磁電源；運行電流源控制模塊控制電壓計測試信號電壓的數值；運行數據處理模塊，將測試信號處理成樣品的電學參數輸出到控制面板；運行電子數據存儲模塊，將電學參數保存成電子文件。進一步，6片樣品的連續自動測量；所說繼電器輸入輸出模塊控制測試過程中多樣品之間的自動切換；最好是，大功率繼電器輸入輸出模塊控制直流穩壓電源和電磁鐵的連接和倒向；更可取的是，電磁鐵中間放置一液氮杜瓦，裡面放置一不鏽鋼容器，來實現被測樣品和液氮之間的隔離。裡面放置一測試樣品架，樣品架通過37芯信號總線連接到繼電器輸入輸出模塊；同樣最好是，所述的樣品架的電纜架座是由黃銅製成，連接的管道和其上法蘭盤是由不鏽鋼製成，另一端的孔板和樣品板是由紫銅製成此處，同樣最好是，六片樣品I-V測試分系統，Keithley2400，連接繼電器輸入輸出模塊，並連接到被測樣品；所述的是6片樣品的連續自動測量。
本發明具有以下優點1，人機界面比較友好，統一採用了windows風格的單元，醒目方便；並且採用了多界面的形式，條理性強；相對與傳統的dos軟體控制系統，較具人性化。2，功能拓展性比較大。能夠在原有程序的基礎上，通過修改程序控制模塊來實現變磁場霍耳效應測量。並已在原有程序的基礎上開發出I-V測量系統，實現了樣品的單次測量就能得到IV特性和霍耳電學參數。3，測量效率較高。與目前普遍使用的霍耳效應測量設備相比，本系統能夠單次準確測量6片樣品的電學參數。節省了人力，並提高了測量效率，有利於產業化的進行。4，穩定性高。利用磁場控制模塊控制的D/A卡輸出連續的精確的控制信號，從而使勵磁電源電壓上升速率穩定，並精確控制獲得得測試磁場。


圖1為本發明的系統結構原理圖；圖2為本發明中的直流穩壓電源接口示意圖；圖3為本發明中的Keithley儀表接口示意圖；圖4為本發明中的繼電器輸入輸出模塊示意圖；圖5為本發明中的大功率繼電器輸入輸出模塊示意圖；圖6為本發明中的樣品架示意圖；圖7為本發明中的程序模塊示意圖；圖8為本發明中的LabView程序運行流程示意圖；
圖9為本發明中的程序界面圖；以及圖10為本發明的樣品測試參數。
具體實施例方式下面根據圖1～圖10給出本發明一個較好的實施例，並結合對實施例的描述，進一步給出本發明的技術細節，使能更好地說明本明的結構特徵和功能特點，但不是用來限制本發明的範圍，因此，凡合乎於本發明範圍之精神及類似變化的實施例，均應包含在本發明範疇之內。
請參閱圖1所示，本發明設備包括主系統1和從系統2。主系統1包括100V20A直流穩壓電源101，電流源102和電壓計103，繼電器輸入輸出模塊108，大功率繼電器輸入輸出模塊109；從系統包括電磁鐵111，液氮杜瓦112，不鏽鋼套管113，樣品架114等。
具體情況如下a.如圖1和圖2所示，直流穩壓電源101，直流穩壓電源101置於主系統1機櫃的第一層，直流穩壓電源的A1端連接數字模擬輸出卡接105口A3，接收由數字模擬輸出卡輸出的控制信號。
b.如圖1和圖3所示，電流源101和電壓計103，實施例中電流源102和電壓計103，分別採用儀表Keithley2400型和Keithley2000型，它們被放置在主系統1機櫃的第二層，Keithley2400電流源102的埠A2連接繼電器輸入輸出模塊108，提供測試過程中所需的樣品電流。埠E2接入220V交流電源。Keithley2000電壓計103置於右邊，Keithley2000埠C2連接繼電器輸入輸出模塊108，用於測試信號電壓，F2端接入220V交流電源。
c.如圖1和圖4所示，繼電器輸入輸出模塊108箱，繼電器輸入輸出模塊108箱放置在主系統機櫃的第三層，裡面放置了信號轉換模塊401，電源電壓繼電器組(J1～J7)403，樣品繼電器組(JA1～JA6)404，以及給信號轉換模塊供電的5伏電源402。開關量卡埠C3連接繼電器輸入輸出模塊108的埠A4，連接到裡面的信號轉換模塊401。Keithley2400 102的埠A2連接繼電器輸出輸出模塊108埠C4，並連接到電源電壓繼電器組403，引入測試電流，Keithley2000 103的埠C2連接繼電器輸出輸出模塊108埠B4，引出信號電壓，37芯輸入輸出總線110連接繼電器輸出輸出模塊108埠D4，連接到被測樣品。埠F4連接220V交流電源，並連接到連接5伏直流電源402，給信號轉換模塊401供電，並由繼電器輸入輸出模塊108箱的總開關控制開合。
d.大功率繼電器輸入輸出模塊109箱和繼電器輸入輸出模塊108箱放置在總系統櫃的最下層，裡面放置了信號轉換模塊501，12V直流電源502，以及大功率繼電器(JB1，JB2)組503。大功率輸入輸出模塊109的埠B5連接直流穩壓電101的源埠A1，引入勵磁電源，進一步引入到大功率繼電器組503，大功率繼電器組503通過埠C5連接到電磁鐵111，提供測試過程中所需的磁場。埠A5連接開關量卡107埠C3，接收開關量卡107輸出的控制信號，控制信號引入到信號轉換模塊501，並連接到控制大功率繼電器組503，實現直流穩壓電源101的埠B5和電磁鐵11的埠C5的連接，或者實現連接的正負倒向。信號轉換模塊501由12V直流電源502供電，12V直流電源502通過埠D5連接到220V交流電源。
從系統2主要包括水冷卻電磁鐵11，電磁鐵11中間放置了真空液氮杜瓦112，用於低溫測試時盛放液氮。該杜瓦112裡放置了一個不鏽鋼容器113，用於隔離液氮和樣品架114，樣品架114的一端是電纜架座，用於固定和24芯信號輸入輸出總線110端連接的接口，電纜架座601和一根不鏽鋼管603焊接，其下5釐米處焊接了一個法蘭盤602，將樣品架114固定在指定的位置，另一端是孔板604和樣品板606，孔板604用於連接鋼管603和樣品板605。PC機104裡面放置了GPIB488卡106和開關量卡107，以及數字模擬輸出卡105，GPIB488卡106用於控制Keithley2400電流源102輸出測試過程中所需的樣品電流，以及控制Keithley2000電壓計103測試出信號電壓的量值。數字模擬輸出卡105用於輸出穩壓直流電源的控制信號。
下面結合圖1～圖10，對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明將6片被測樣品焊接到樣品架114的樣品板上。放入不鏽鋼套管113，將樣品表面和磁場方向垂直。連接樣品架114的電纜座架上的接口和24芯信號輸入輸出總線110。
由於整個過程是由Labview編制的程序控制的，所以，按照圖7，圖8所示程序的執行來說明。最初是將整個系統的儀表合板卡進行初始化，例如將開關量卡107和數字模擬輸出卡105的輸出埠都置為低電平，以及初始化Keithley2400電流源102和Keithley2000電壓計103。Keithley2000103受控輸出測試過程中所需的樣品電流到繼電器輸入輸出模塊108，繼電器輸入輸出模塊108受控閉合Iab繼電器J1和Vcd繼電器J2，然後依次閉合所需測試的樣品繼電器JA1～JA6，在閉合其中一個繼電器同時，其他繼電器需要保持打開的狀態。在閉合繼電器的同時，Keithley2000電壓計103受控接收B端返回的信號電壓，測出各個樣品的第一個電壓值，由程序形成一個一維6元數組V1，放入寄存器。繼電器輸入輸出模塊108受控開放繼電器J1和J2，閉合Ibc繼電器J3和Vad繼電器J4，依次閉合所需測試的樣品繼電器，由Keithley2000 103測試出第二個電壓值V2。繼電器輸入輸出模塊108的J7受控閉合，使輸入樣品的電流反向，按照上述在測出兩組電壓V3，V4。繼電器輸入輸出模塊108受控開放繼電器J3和J4，並由程序控制大功率繼電器輸入輸出模塊109上的JB1閉合，將穩壓直流電源101和電磁鐵111連通，D/A卡受控輸出一個漸升的控制信號控制穩壓直流電源緩慢上升值所需的勵磁電壓，如40V。繼電器輸入輸出模塊108受控閉合Iac繼電器J5和Vbd繼電器J6，依次閉合所需測試的樣品繼電器，由Keithley2000103測試出第5組電壓V5，J7閉合，控制輸入電流反向，測出第6組電壓V6，數字模擬輸入輸出卡受控輸出一個漸降的控制信號控制穩壓直流電源將輸出的勵磁電壓緩慢降到0，大功率繼電器輸入輸出模塊的JB2閉合，控制穩壓直流電源的電壓輸出為反向，數字模擬輸出卡105受控輸出一個漸升的控制信號控制穩壓直流電源緩慢上升值所需的勵磁電壓，如40V，其實，這是電磁鐵所接受的電壓實際上為-40V，按V5，V6的測試，測試出第七組和第八組電壓V7和V8，得到二維數組，程序再將二位數組的每個樣品的電壓提取出來進行處理，得到最好的參數結果。
低溫測試時，將低溫杜瓦裝入液氮，將不鏽鋼套管113緩慢放入低溫杜瓦內，再將樣品架114放入不鏽鋼套管113內，等待樣品冷卻。在按照常溫測試的方法進行測試。
I-V測試時，將6片被測樣品焊接到樣品架114的樣品板上。放入不鏽鋼套管113，將樣品表面和磁場方向垂直。連接樣品架114的電纜座架上的接口和37芯信號總線110。初始化Keithley2400儀表和開關量輸入輸出卡107，繼電器輸入輸出模塊108受控被試樣品和Keithley2400 102埠A2受控輸出一個漸升的電流，同時返回所測試的電壓值，形成二維數組。並在控制面板上輸出二維I-V曲線。
測試結果如圖10所示。
還要指出，本實施例中，樣品架的電纜架座601由黃銅製成，連接的管道603和其上法蘭盤602均由不鏽鋼製成，孔板604和樣品605都是由紫銅製成。
權利要求
1.一種多樣品霍爾效應自動測試設備，包括主系統(1)和從系統(2)，以及PC機(104)，其特徵在於主系統(1)具有信號處理功能，其具有一繼電器輸入輸出模塊(108)，其設有連接口D4、C4和A4，該連接口D4連接一電流源(102)，提供測試過程的樣品電流；連接口C4連接一電壓計(103)，用於測試信號電壓；連接口D4連接一輸入輸出信號總線(110)，連接到被測樣品；連接口A4連接一開關量卡端子(107)，由一5伏直流電壓源(402)為一信號轉換模塊(401)提供電壓源；一大功率繼電器輸入輸出模塊(109)，其接口A5連接開關量卡端子，接口B5連接一100V20A直流穩壓電源(101)，輸出接口C5連接電磁鐵，提供測試磁場，由一12伏直流電源(502)為信號轉換模塊(501)提供電源；大功率繼電器輸入輸出模塊(109)受控將輸入埠B5的電壓正向，或者反向輸出到輸出接口C5，實現對測試磁場的控制；該電流源(102)和電壓計(103)通過GPIB488總線接口連接PC機(104)的GPIB488卡(106)；該開關量卡端子(107)通過信號總線(110)連接到PC機(104)的一開關量卡(107)；該直流穩壓電源(101)的受控埠A5連接到PC機(104)的一數模轉化卡(105)；從系統(2)提供測試平臺和測試磁場，具有一帶水冷系統的電磁鐵(111)，連接到大功率繼電器轉換模塊(108)的輸出埠C5，提供受控的磁場強度；電磁鐵(111)中間放置一液氮杜瓦(112)，裡面放置一不鏽鋼容器(113)，以實現被測樣品和液氮之間的隔離；不鏽鋼容器(113)裡面放置一測試樣品架(114)，該樣品架(114)的埠A5通過信號總線(110)連接到繼電器輸入輸出模塊(108)；PC機(104)，其上設有GPIB488卡(106)和開關量卡(107)，以及數字模擬輸出卡(105)，分別連接電流源(102)，電壓計(103)和開關量卡(107)端子，以及連接直流穩壓電源(101)；並在PC機(104)中設有基於Labview的自動測試模塊(701)，繼電器輸入輸出模塊和大功率輸入輸出控制模塊的控制模塊(702)，勵磁電源輸出的漸升和漸降的控制模塊(703)，I-V測試模塊，電流源控制模塊(704)，電壓計控制模塊(705)，開關量卡控制模塊(706)，數字模擬卡控制模塊(707)，數據處理模塊(708)，電子數據存儲模塊(709)；該PC機以系統總線連接GPIB488卡(106)，運行電壓計控制模塊(704)去控制電流源(102)輸出樣品測試電流到繼電器輸入輸出模塊(108)；PC以系統總線連接開關量卡(107)，運行開關量卡控制模塊(706)控制繼電器輸入輸出模塊(108)，將電流輸出到被測樣品(606)；該PC機以系統總線連接數字模擬輸出卡(105)，運行開關量卡控制模塊(706)去控制大功率繼電器輸入輸出模塊(109)，將直流穩壓電源(101)和電磁鐵(111)連通或反向連通；運執行數字模擬卡控制模塊(707)去控制數字模擬卡(105)輸出控制信號，控制直流穩壓電源(101)，輸出勵磁電源；運行電流源控制模塊(705)去控制電壓計測試信號電壓的數值；運行數據處理模塊(708)，將測試信號處理成樣品的電學參數輸出到控制面板，運行電子數據存儲模塊(709)，將電學參數保存成電子文件。
2.根據權利要求1所述的多樣品霍爾效應測試設備，其特徵在於，具有6片樣品的連續自動測量。
3.根據權利要求1所述的多樣品霍爾效應測試設備，其特徵在於，所述的樣品架的電纜架座(601)是由黃銅製成，連接的管道(603)和其上法蘭盤(602)是由不鏽鋼製成，另一端的孔板(604)和樣品板(605)是由紫銅製成。
4.根據權利要求1或2所述的多樣品霍爾效應測試設備，其特徵在於，六片樣品I-V測試分系統，電壓計(102)，連接繼電器輸入輸出模塊(108)，並連接到被測樣品(606)。
全文摘要
一種基於多樣品霍爾效應測試設備，係為多片樣片霍爾效應測試設備，主要應用於批量半導體材料電學輸運性能的測試。該設備主要由一個主系統和一個從系統及一隻PC機組成。主系統主要負責測試信號的產生和接收，測試過程中被測樣品的自動切換；從系統主要負責提供測試平臺和測試磁場。設備電學參數的測量，並將測試結果顯示在測試面板上。本設備的最大的優點是可以實現多片樣品的連續測量，以及對於磁場的精確控制，從而提高了測試效率和測試精度。另外可以實現半導體材料測試電極的I－V曲線測試，變磁場霍爾效應測試，以及電子數據的存儲，從而自動完成批量被測樣品的測試及測試結果記錄的整個過程。
文檔編號G01R33/12GK1885051SQ20061002735
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月7日 優先權日2006年6月7日
發明者楊曉陽, 陳新禹, 林杏潮, 陸榮, 邵秀華, 張莉萍 申請人:中國科學院上海技術物理研究所