一种交流磁电输运测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种交流磁电输运测量系统，包括信号生成采集单元、反应单元与主控单元；被测样品设置在反应单元内部，反应单元为被测样品提供可调节的温度、光照和磁场；信号生成采集单元向被测样品提供交流电流，在被测样品反应时信号生成采集单元采集被测样品两端的被测信号中与交流电流同相的信号分量，并且测量信号分量的电压；主控单元控制信号生成采集单元的交流电流的频率，控制反应单元的温度、光照和磁场的强度，并采集被测样品的数据，计算被测样品磁电输运能力。本发明专利技术能够利用交流电流测量样品的磁电输运能力，其具有很高测量精度与测量效率。

【技术实现步骤摘要】
一种交流磁电输运测量系统
本专利技术属于半导体材料
，尤其涉及一种用于测量半导体材料磁电输运测 量的交流磁电输运测量系统。
技术介绍
在研究半导体材料与器件物理特性的过程中，磁电输运测量是一种十分重要而且 常用的研究手段。通过改变温度以及磁场等外界条件，可以研究样品的电阻，磁阻，霍尔系 数，载流子浓度，迁移率等参数受外场的影响。在测量磁电输运时一般将样品制作成范德堡 或者霍尔条的形状。范德堡测试对样品的对称性等要求不是很严格，但是需要多次测量取 平均值，而且很难得到直接的磁阻公式。霍尔条样品比较精准，对称性好，测量方便而且精 确。 然而，目前输运测量系统都采用直流电源进行测量，其提供的直流电会引发诸如 电阻发热、爱廷豪森效应以及热释电效应等，这类效应会影响测量精度。所以电输运测量 中一般使用很小的直流电流从而避免电阻发热，所以要考虑低电压测量中最常见的误差来 源：热电动势。尤其是样品在低温环境下测量时，而电压表则处在300K左右的温度下，这就 出现了很大的温度梯度，从而很容易导致热电动势。可以采用反向测量取平均的方法来抵 消寄生热电动势所产生的误差。但是这样一来很明显增加了测量次数而且需要通道切换， 不仅增加了复杂度而且降低了测量速度。使用AC电流源能抑制热电效应。而且在测量霍尔 效应的时候，爱廷豪森效应会对测量产生误差。但是建立爱廷豪森效应所需时间比霍尔效 应建立所需的时间长的多，若使用一定频率的交流电源，由于交流电源方向变化相对较快， 使得爱廷豪森效应来不及建立，这就消除了爱廷豪森效应。 当集成电路向高频方向发展时，半导体材料与器件在不同频率下的输运特性也成 了人们关注的焦点。很多半导体材料与器件的电阻和霍尔系数等特性在不同频率的信号下 会有明显的变化，这就需要进行交流输运测试来研究这些特性。而以前传统的交流输运测 量系统都是在某一频率下测试完一系列参数之后，手动更改信号频率，再进行下一步的测 试。这样如果需要测试频率点多的话就会很耗时而且非常繁琐。而且后续处理过程中发现 需要某一温度点下的数据但是之前没有测量，这就需要再次重复实验过程。 目前交流磁电输运测试的系统中所利用锁相放大技术，是由锁相放大器内部振荡 产生的交流电压信号加在自行定标的电阻两端来获得的，这样造成以下几个问题：1、定标 电阻是自行人为选择的，容易造成测量的误差；2、在不同环境下，定标电阻的值可能会发生 改变，导致无法得到恒定的交流电流源；3、每次测量过程中需要不同的测量电流时，就需要 更换定标电阻，显著降低了测量的效率。 另外，光照都会对半导体的磁电输运特性产生明显的影响，而目前类似的磁电输 运测量系统的样品大都是在封闭环境下进行测试的，无法研究光照对半导体样品输运特性 的影响。 为了克服现有技术中直流电测量易产生诸多效应降低测量精度，交流电测量的效 率低及未考虑光照对测量的影响等缺陷，提出了一种交流磁电输运测量系统。
技术实现思路
本专利技术提出了一种交流磁电输运测量系统，包括：信号生成采集单元、反应单元与 主控单元；被测样品设置在所述反应单元内部，所述反应单元为所述被测样品提供可调节 的温度、光照和磁场；所述信号生成采集单元向所述被测样品提供交流电流，在所述被测样 品反应时所述信号生成采集单元采集所述被测样品两端的被测信号中与所述交流电流同 相的信号分量，并且测量所述信号分量的电压；所述主控单元控制所述信号生成采集单元 的所述交流电流的频率，控制所述反应单元的温度、光照和磁场的强度，并采集所述被测样 品的数据，计算所述被测样品磁电输运能力。 本专利技术提出的交流磁电输运测量系统中，所述信号生成采集单元包括交流电流 源、第一锁相放大器与第二锁相放大器；所述交流电流源向所述被测样品提供交流电流，并 在所述主控单元的控制下调节所述交流电流的幅度与频率；所述第一锁相放大器与所述第 二锁相放大器将所述交流电流源提供的所述交流电流作为参考，在采集所述被测样品两端 的被测信号时，输出所述被测信号中与所述交流电流同相的信号分量，并且测量所述信号 分量的电压。 本专利技术提出的交流磁电输运测量系统中，所述交流电流源生成与所述交流电流的 相位相关的相位标记，第一锁相放大器和第二锁相放大器根据所述相位标记生成与所述交 流电流同相的正弦信号作为参考。 本专利技术提出的交流磁电输运测量系统中，所述反应单元包括磁光低温磁场装置、 光源、超导磁体电流源与温控仪；所述磁光低温磁场装置的样品仓中设有窗片、超导磁体与 加热器，所述样品仓中容纳所述被测样品；所述光源透过所述窗片照射在所述被测样品上， 所述超导磁体电源利用所述超导磁体在所述样品仓中形成磁场，所述温控仪利用所述加热 器控制所述样品仓内的温度。在测量时，通过调节光照、磁场强度和/或温度中的一项或多 项来改变被测样品所在的环境，从而测量在不同环境下被测样品的磁电输运能力。 本专利技术提出的交流磁电输运测量系统中，所述主控单元为具有Labview语言编写 的用于自动测量的程序的装置。 本专利技术提出的交流磁电输运测量系统中，所述主控单元通过GPIB板卡与所述信 号生成单元及所述反应单元连接，主控单元通过GPIB板卡（General-Purpose Interface Bus，通用接口总线）与交流电流源、第一锁相放大器、第二锁相放大器、超导磁体电流及温 控仪连接及调控与反馈上述装置的工作状态。 本专利技术具有如下有益效果： 1、本专利技术交流磁电输运测量系统采用微小的交流电信号进行磁电输运测试，大大 降低了噪声，提高了测量精度，并且能够研究不同交流信号频率对样品的输运特性影响。 2、本专利技术交流磁电输运测量系统使用单独的交流电源，能够更加方便地提供更加 准确恒定的交流信号而无需根据不同电流大小的需要更换标定电阻。并且电流源具有的相 位标记技术可以给锁相放大器提供更直接精确的参考信号。 3、整个测量过程可以由程序控制，在很宽频率、大范围温度和大范围磁场之下，全 自动改变频率、改变温度以及改变磁场强度测量样品的各种电输运性质。测量数据经过程 序内部的信号处理后得到所需参数，前面板实时显示测量曲线，结果自动保存成设定格式 的电子文档。 4、本专利技术交流磁电输运测量系统的测量程序采用实时采集技术，相对其他输运系 统测量方法，在速度上提高一个数量级以上，并且获得更加密集精确的数据点。 5、本专利技术交流磁电输运测量系统可以方便地研究不同光照对样品磁电输运特性 的影响。并且样品与光源完全隔离，可以忽略光源发热对样品的影响。 【附图说明】 图1是本专利技术交流磁电输运测量系统的结构图。 图2是本专利技术中反应单元的结构示意图。 图3是被测样品的示意图。 图4是样品杆的示意图。 图5是交流电流源的相位标记的示意图。 图6是扫场测量过程的流程图。 图7是变温测量过程的流程图。 图8是变频测量过程的流程图。 图9是使用本专利技术系统测量得到的不同组分CuCrO2掺Mg样品的电导率的对数随 温度变化的曲线。 图10是使用本专利技术系统测量得到的被测样品的载流子迁移率随温度变化的曲 线。 【具体实施方式】 结合以下具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种交流磁电输运测量系统，其特征在于，包括：信号生成采集单元(1)、反应单元(2)与主控单元(3)；被测样品(4)设置在所述反应单元(2)内部，所述反应单元(2)为所述被测样品(4)提供可调节的温度、光照和磁场；所述信号生成采集单元(1)向所述被测样品(4)提供交流电流，在所述被测样品(4)反应时所述信号生成采集单元(1)采集所述被测样品(4)两端的被测信号中与所述交流电流同相的信号分量，并且测量所述信号分量的电压；所述主控单元(3)控制所述信号生成采集单元(1)的所述交流电流的频率，控制所述反应单元(2)的温度、光照和磁场的强度，并采集所述被测样品(4)的数据，计算所述被测样品(4)磁电输运能力。

【技术特征摘要】
1. 一种交流磁电输运测量系统，其特征在于，包括：信号生成采集单元（1)、反应单元 (2)与主控单元（3); 被测样品（4)设置在所述反应单元（2)内部，所述反应单元（2)为所述被测样品（4) 提供可调节的温度、光照和磁场； 所述信号生成采集单元（1)向所述被测样品（4)提供交流电流，在所述被测样品（4) 反应时所述信号生成采集单元（1)采集所述被测样品（4)两端的被测信号中与所述交流电 流同相的信号分量，并且测量所述信号分量的电压； 所述主控单元（3)控制所述信号生成采集单元（1)的所述交流电流的频率，控制所述 反应单元（2)的温度、光照和磁场的强度，并采集所述被测样品（4)的数据，计算所述被测 样品（4)磁电输运能力。2. 如权利要求1所述交流磁电输运测量系统，其特征在于，所述信号生成采集单元（1) 包括交流电流源（11)、第一锁相放大器（12)与第二锁相放大器（13); 所述交流电流源（11)向所述被测样品（4)提供交流电流，并在所述主控单元（3)的控 制下调节所述交流电流的幅度与频率； 所述第一锁相放大器（12)与所述第二锁相放大器（13)将所述交流电流源（11)提供 的所述交流电流作为参考，在采集所述被测样品（4)两端的被测信号时，输出所述被测信 号中与所述交流电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡志高，李旭瑞，褚君浩，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31