专利名称：多样品霍尔效应测试设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体材料电学参数多样品测试设备，尤其适用例如卫星红外探测器等的室温或低温半导体材料电学参数批量测试。测试样品数为1～6片。
背景技术：
由于目前大部分霍尔测试系统中，只能实现单片样品电学参数的自动测量。因此多片样品的测试只能每次将单个样品装入样品架进行测试，测试完毕需要将其取出再将另一片样品装入。工作效率比较低，只能供少量的半导体材料的测试或实验需求，不能满足需要批量测试的半导体材料的电学参数的测试。多样品霍尔效应测试设备可以满足这种要求。其通过自制的继电器输入输出模块来实现多样品之间的切换，从而大大提高测试效率。由于这些模块属于自己研制，很大程度地减小了资金的投入，节省了成本。具体测试内容包括材料的电阻率，载流子浓度，载流子迁移率，材料的I-V特性等。
发明内容
综上所述，如何克服现有技术的缺点，使之既能够实现单个样品的霍尔效应的自动测量，又能实现测试过程中多个样品自动切换，以及提高工作效率，乃是本发明所要解决的技术问题，因此，本发明的目的是提供一种多样品霍尔效应自动测试设备，特别是适用半导体材料电学性能的批量测试。
本发明技术方案如下根据本发明的一种多样品霍尔效应自动测试设备，包括一具有信号处理功能的主系统，其具有一继电器转入输出模块，其设有连接口D4、C4和A4，其中连接口D4连接一电流源，提供测试过程的样品电流；连接口C4连接一电压计，用于测试信号电压；连接口D4连接一输入输出信号总线，连接到被测样品；连接口A4连接一开关量卡端子，由一5伏直流电压源给一信号转换模块提供电压源；一大功率继电器输入输出模块，接口A5连接开关量卡端子，接口B5连接一100V20A直流稳压电源，输出接口C5连接电磁铁，提供测试磁场。由一12伏直流电源为信号转换模块提供电源；大功率继电器输入输出模块受控将输入端口B5的电压正向，或者反向输出到输出接口C5，实现对测试磁场的控制。
一为提供测试平台和测试磁场的从系统，含有一带水冷系统的电磁铁，连接到大功率继电器转换模块的输出，提供受控的磁场强度；电磁铁中间放置一液氮杜瓦，里面放置一不锈钢容器，来实现被测样品和液氮之间的隔离；不锈钢容器里面放置一测试样品架，样品架接口通过信号总线连接到继电器输入输出模块；以及一PC机，其内装设GPIB488卡和开关量卡，以及数字模拟输出卡，分别用于控制电流源输出测试过程所需样品电流、控制测试输出电压的量值，以及用于输出稳压直流电源的控制信号，以及还在PC机中设有基于Labview的自动测试模块，继电器输入输出模块和大功率输入输出控制模块的控制模块，励磁电源输出的渐升和渐降的控制模块，I-V测试模块，电流源控制模块，电压计控制模块，开关量卡控制模块，数字模拟卡控制模块，数据处理模块，电子数据存储模块；PC机以系统总线连接GPIB488卡，运行电流源控制模块控制电压计输出样品测试电流到继电器输入输出模块，PC机以系统总线连接开关量卡，运行开关量卡控制模块控制继电器输入输出模块，将电流输出到被测样品；PC机以系统总线连接数字模拟输出卡，运行开关量卡控制模块控制大功率继电器输入输出模块，将直流稳压电源和电磁铁连通或反向连通；运行数字模拟卡控制模块控制数字模拟卡输出控制信号，控制直流稳压电源，输出励磁电源；运行电流源控制模块控制电压计测试信号电压的数值；运行数据处理模块，将测试信号处理成样品的电学参数输出到控制面板；运行电子数据存储模块，将电学参数保存成电子文件。进一步，6片样品的连续自动测量；所说继电器输入输出模块控制测试过程中多样品之间的自动切换；最好是，大功率继电器输入输出模块控制直流稳压电源和电磁铁的连接和倒向；更可取的是，电磁铁中间放置一液氮杜瓦，里面放置一不锈钢容器，来实现被测样品和液氮之间的隔离。里面放置一测试样品架，样品架通过37芯信号总线连接到继电器输入输出模块；同样最好是，所述的样品架的电缆架座是由黄铜制成，连接的管道和其上法兰盘是由不锈钢制成，另一端的孔板和样品板是由紫铜制成此处，同样最好是，六片样品I-V测试分系统，Keithley2400，连接继电器输入输出模块，并连接到被测样品；所述的是6片样品的连续自动测量。
本发明具有以下优点1，人机界面比较友好，统一采用了windows风格的单元，醒目方便；并且采用了多界面的形式，条理性强；相对与传统的dos软件控制系统，较具人性化。2，功能拓展性比较大。能够在原有程序的基础上，通过修改程序控制模块来实现变磁场霍耳效应测量。并已在原有程序的基础上开发出I-V测量系统，实现了样品的单次测量就能得到IV特性和霍耳电学参数。3，测量效率较高。与目前普遍使用的霍耳效应测量设备相比，本系统能够单次准确测量6片样品的电学参数。节省了人力，并提高了测量效率，有利于产业化的进行。4，稳定性高。利用磁场控制模块控制的D/A卡输出连续的精确的控制信号，从而使励磁电源电压上升速率稳定，并精确控制获得得测试磁场。
图1为本发明的系统结构原理图；图2为本发明中的直流稳压电源接口示意图；图3为本发明中的Keithley仪表接口示意图；图4为本发明中的继电器输入输出模块示意图；图5为本发明中的大功率继电器输入输出模块示意图；图6为本发明中的样品架示意图；图7为本发明中的程序模块示意图；图8为本发明中的LabView程序运行流程示意图；
图9为本发明中的程序界面图；以及图10为本发明的样品测试参数。
具体实施例方式下面根据图1～图10给出本发明一个较好的实施例，并结合对实施例的描述，进一步给出本发明的技术细节，使能更好地说明本明的结构特征和功能特点，但不是用来限制本发明的范围，因此，凡合乎于本发明范围之精神及类似变化的实施例，均应包含在本发明范畴之内。
请参阅图1所示，本发明设备包括主系统1和从系统2。主系统1包括100V20A直流稳压电源101，电流源102和电压计103，继电器输入输出模块108，大功率继电器输入输出模块109；从系统包括电磁铁111，液氮杜瓦112，不锈钢套管113，样品架114等。
具体情况如下a.如图1和图2所示，直流稳压电源101，直流稳压电源101置于主系统1机柜的第一层，直流稳压电源的A1端连接数字模拟输出卡接105口A3，接收由数字模拟输出卡输出的控制信号。
b.如图1和图3所示，电流源101和电压计103，实施例中电流源102和电压计103，分别采用仪表Keithley2400型和Keithley2000型，它们被放置在主系统1机柜的第二层，Keithley2400电流源102的端口A2连接继电器输入输出模块108，提供测试过程中所需的样品电流。端口E2接入220V交流电源。Keithley2000电压计103置于右边，Keithley2000端口C2连接继电器输入输出模块108，用于测试信号电压，F2端接入220V交流电源。
c.如图1和图4所示，继电器输入输出模块108箱，继电器输入输出模块108箱放置在主系统机柜的第三层，里面放置了信号转换模块401，电源电压继电器组(J1～J7)403，样品继电器组(JA1～JA6)404，以及给信号转换模块供电的5伏电源402。开关量卡端口C3连接继电器输入输出模块108的端口A4，连接到里面的信号转换模块401。Keithley2400 102的端口A2连接继电器输出输出模块108端口C4，并连接到电源电压继电器组403，引入测试电流，Keithley2000 103的端口C2连接继电器输出输出模块108端口B4，引出信号电压，37芯输入输出总线110连接继电器输出输出模块108端口D4，连接到被测样品。端口F4连接220V交流电源，并连接到连接5伏直流电源402，给信号转换模块401供电，并由继电器输入输出模块108箱的总开关控制开合。
d.大功率继电器输入输出模块109箱和继电器输入输出模块108箱放置在总系统柜的最下层，里面放置了信号转换模块501，12V直流电源502，以及大功率继电器(JB1，JB2)组503。大功率输入输出模块109的端口B5连接直流稳压电101的源端口A1，引入励磁电源，进一步引入到大功率继电器组503，大功率继电器组503通过端口C5连接到电磁铁111，提供测试过程中所需的磁场。端口A5连接开关量卡107端口C3，接收开关量卡107输出的控制信号，控制信号引入到信号转换模块501，并连接到控制大功率继电器组503，实现直流稳压电源101的端口B5和电磁铁11的端口C5的连接，或者实现连接的正负倒向。信号转换模块501由12V直流电源502供电，12V直流电源502通过端口D5连接到220V交流电源。
从系统2主要包括水冷却电磁铁11，电磁铁11中间放置了真空液氮杜瓦112，用于低温测试时盛放液氮。该杜瓦112里放置了一个不锈钢容器113，用于隔离液氮和样品架114，样品架114的一端是电缆架座，用于固定和24芯信号输入输出总线110端连接的接口，电缆架座601和一根不锈钢管603焊接，其下5厘米处焊接了一个法兰盘602，将样品架114固定在指定的位置，另一端是孔板604和样品板606，孔板604用于连接钢管603和样品板605。PC机104里面放置了GPIB488卡106和开关量卡107，以及数字模拟输出卡105，GPIB488卡106用于控制Keithley2400电流源102输出测试过程中所需的样品电流，以及控制Keithley2000电压计103测试出信号电压的量值。数字模拟输出卡105用于输出稳压直流电源的控制信号。
下面结合图1～图10，对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明将6片被测样品焊接到样品架114的样品板上。放入不锈钢套管113，将样品表面和磁场方向垂直。连接样品架114的电缆座架上的接口和24芯信号输入输出总线110。
由于整个过程是由Labview编制的程序控制的，所以，按照图7，图8所示程序的执行来说明。最初是将整个系统的仪表合板卡进行初始化，例如将开关量卡107和数字模拟输出卡105的输出端口都置为低电平，以及初始化Keithley2400电流源102和Keithley2000电压计103。Keithley2000103受控输出测试过程中所需的样品电流到继电器输入输出模块108，继电器输入输出模块108受控闭合Iab继电器J1和Vcd继电器J2，然后依次闭合所需测试的样品继电器JA1～JA6，在闭合其中一个继电器同时，其他继电器需要保持打开的状态。在闭合继电器的同时，Keithley2000电压计103受控接收B端返回的信号电压，测出各个样品的第一个电压值，由程序形成一个一维6元数组V1，放入寄存器。继电器输入输出模块108受控开放继电器J1和J2，闭合Ibc继电器J3和Vad继电器J4，依次闭合所需测试的样品继电器，由Keithley2000 103测试出第二个电压值V2。继电器输入输出模块108的J7受控闭合，使输入样品的电流反向，按照上述在测出两组电压V3，V4。继电器输入输出模块108受控开放继电器J3和J4，并由程序控制大功率继电器输入输出模块109上的JB1闭合，将稳压直流电源101和电磁铁111连通，D/A卡受控输出一个渐升的控制信号控制稳压直流电源缓慢上升值所需的励磁电压，如40V。继电器输入输出模块108受控闭合Iac继电器J5和Vbd继电器J6，依次闭合所需测试的样品继电器，由Keithley2000103测试出第5组电压V5，J7闭合，控制输入电流反向，测出第6组电压V6，数字模拟输入输出卡受控输出一个渐降的控制信号控制稳压直流电源将输出的励磁电压缓慢降到0，大功率继电器输入输出模块的JB2闭合，控制稳压直流电源的电压输出为反向，数字模拟输出卡105受控输出一个渐升的控制信号控制稳压直流电源缓慢上升值所需的励磁电压，如40V，其实，这是电磁铁所接受的电压实际上为-40V，按V5，V6的测试，测试出第七组和第八组电压V7和V8，得到二维数组，程序再将二位数组的每个样品的电压提取出来进行处理，得到最好的参数结果。
低温测试时，将低温杜瓦装入液氮，将不锈钢套管113缓慢放入低温杜瓦内，再将样品架114放入不锈钢套管113内，等待样品冷却。在按照常温测试的方法进行测试。
I-V测试时，将6片被测样品焊接到样品架114的样品板上。放入不锈钢套管113，将样品表面和磁场方向垂直。连接样品架114的电缆座架上的接口和37芯信号总线110。初始化Keithley2400仪表和开关量输入输出卡107，继电器输入输出模块108受控被试样品和Keithley2400 102端口A2受控输出一个渐升的电流，同时返回所测试的电压值，形成二维数组。并在控制面板上输出二维I-V曲线。
测试结果如图10所示。
还要指出，本实施例中，样品架的电缆架座601由黄铜制成，连接的管道603和其上法兰盘602均由不锈钢制成，孔板604和样品605都是由紫铜制成。
权利要求
1.一种多样品霍尔效应自动测试设备，包括主系统(1)和从系统(2)，以及PC机(104)，其特征在于主系统(1)具有信号处理功能，其具有一继电器输入输出模块(108)，其设有连接口D4、C4和A4，该连接口D4连接一电流源(102)，提供测试过程的样品电流；连接口C4连接一电压计(103)，用于测试信号电压；连接口D4连接一输入输出信号总线(110)，连接到被测样品；连接口A4连接一开关量卡端子(107)，由一5伏直流电压源(402)为一信号转换模块(401)提供电压源；一大功率继电器输入输出模块(109)，其接口A5连接开关量卡端子，接口B5连接一100V20A直流稳压电源(101)，输出接口C5连接电磁铁，提供测试磁场，由一12伏直流电源(502)为信号转换模块(501)提供电源；大功率继电器输入输出模块(109)受控将输入端口B5的电压正向，或者反向输出到输出接口C5，实现对测试磁场的控制；该电流源(102)和电压计(103)通过GPIB488总线接口连接PC机(104)的GPIB488卡(106)；该开关量卡端子(107)通过信号总线(110)连接到PC机(104)的一开关量卡(107)；该直流稳压电源(101)的受控端口A5连接到PC机(104)的一数模转化卡(105)；从系统(2)提供测试平台和测试磁场，具有一带水冷系统的电磁铁(111)，连接到大功率继电器转换模块(108)的输出端口C5，提供受控的磁场强度；电磁铁(111)中间放置一液氮杜瓦(112)，里面放置一不锈钢容器(113)，以实现被测样品和液氮之间的隔离；不锈钢容器(113)里面放置一测试样品架(114)，该样品架(114)的端口A5通过信号总线(110)连接到继电器输入输出模块(108)；PC机(104)，其上设有GPIB488卡(106)和开关量卡(107)，以及数字模拟输出卡(105)，分别连接电流源(102)，电压计(103)和开关量卡(107)端子，以及连接直流稳压电源(101)；并在PC机(104)中设有基于Labview的自动测试模块(701)，继电器输入输出模块和大功率输入输出控制模块的控制模块(702)，励磁电源输出的渐升和渐降的控制模块(703)，I-V测试模块，电流源控制模块(704)，电压计控制模块(705)，开关量卡控制模块(706)，数字模拟卡控制模块(707)，数据处理模块(708)，电子数据存储模块(709)；该PC机以系统总线连接GPIB488卡(106)，运行电压计控制模块(704)去控制电流源(102)输出样品测试电流到继电器输入输出模块(108)；PC以系统总线连接开关量卡(107)，运行开关量卡控制模块(706)控制继电器输入输出模块(108)，将电流输出到被测样品(606)；该PC机以系统总线连接数字模拟输出卡(105)，运行开关量卡控制模块(706)去控制大功率继电器输入输出模块(109)，将直流稳压电源(101)和电磁铁(111)连通或反向连通；运执行数字模拟卡控制模块(707)去控制数字模拟卡(105)输出控制信号，控制直流稳压电源(101)，输出励磁电源；运行电流源控制模块(705)去控制电压计测试信号电压的数值；运行数据处理模块(708)，将测试信号处理成样品的电学参数输出到控制面板，运行电子数据存储模块(709)，将电学参数保存成电子文件。
2.根据权利要求1所述的多样品霍尔效应测试设备，其特征在于，具有6片样品的连续自动测量。
3.根据权利要求1所述的多样品霍尔效应测试设备，其特征在于，所述的样品架的电缆架座(601)是由黄铜制成，连接的管道(603)和其上法兰盘(602)是由不锈钢制成，另一端的孔板(604)和样品板(605)是由紫铜制成。
4.根据权利要求1或2所述的多样品霍尔效应测试设备，其特征在于，六片样品I-V测试分系统，电压计(102)，连接继电器输入输出模块(108)，并连接到被测样品(606)。
全文摘要
一种基于多样品霍尔效应测试设备，系为多片样片霍尔效应测试设备，主要应用于批量半导体材料电学输运性能的测试。该设备主要由一个主系统和一个从系统及一只PC机组成。主系统主要负责测试信号的产生和接收，测试过程中被测样品的自动切换；从系统主要负责提供测试平台和测试磁场。设备电学参数的测量，并将测试结果显示在测试面板上。本设备的最大的优点是可以实现多片样品的连续测量，以及对于磁场的精确控制，从而提高了测试效率和测试精度。另外可以实现半导体材料测试电极的I－V曲线测试，变磁场霍尔效应测试，以及电子数据的存储，从而自动完成批量被测样品的测试及测试结果记录的整个过程。
文档编号G01R33/12GK1885051SQ20061002735
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月7日 优先权日2006年6月7日
发明者杨晓阳, 陈新禹, 林杏潮, 陆荣, 邵秀华, 张莉萍 申请人:中国科学院上海技术物理研究所