Устройство для исследования гальваномагнитных эффектов в полупроводниках Советский патент 1991 года по МПК G01N27/72 

ел

С

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффии5 ента Холла, холловской подвижности носителей заряда, магни- тосопротивления и электропроводности полупроводников. Целью изобретения является повышение точности и производительности за счет снижения помех и автома- тизации измерений. Через блок 17 интерфейса и шину 16 данных в ЦАП 13 и 15 задаются величины, определяющие ток в образце 3 и индукцию поля, создаваемого электромагнитом 14. Ток протекает через электроды 9, 11 и регистрируется измерителем 8. Усилители 1, 10 и 12 образуют управляемый плавающий источник напряжения со средней точкой. Вход усилителя 1 подключен к зонду 2, входов АЦП 4,5 - к зондам 6, 7. Вся информация поступает на регистратор 18. 1 ил.

4 Ю О

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента Холла, холлов- ской подвижности носителей заряда, магни- тосопротивления и электропроводности полупроводников.

Целью изобретения является повышение точности и производительности устройства за счет снижения помех и автоматизации измерений.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма его работы.

Устройство содержит усилитель 1, вход которого соединен с поперечным холлов- ским зондом 2 образца 3, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 4 и 5, входы которых соединены с поперечным холлов- ским зондом 6 и продольным зондом 7 напряжения электропроводности соответственно, цифровой измеритель 8 тока, один вход которого соединен с выходом усилителя 1, а другой - с токовым электродом 9, дифференциальный усилитель 10. входы которого соединены с токовыми электродами 9 и 11, дифференциальный усилитель 12,вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя 10, а выход - с токовым электродом 11, цифро- аналоговый преобразователь (ЦАП) 13, выход которого соединен с входом усилителя 12, электромагнит 14, вход которого соединен с выходом ЦАП 15. В зазоре электромагнита 14 размещен образец 3. Выходы АЦП 4, 5 и измерителя 8, входы ЦАП 13 и 15 соединены шиной 16 данных с блоком 17 интерфейса. К шине 16 подключен и регистратор 18.

Устройство работает следующим образом.

На токовые электроды 9 и 11 подается напряжение с выхода усилителя 1 через входную цепь измерителя Вис выхода дифференциального усилителя 12. Одновременно с этих же электродов напряжение подается на входы дифференциального усилителя 10, и после усиления.с коэффициентом усиления Кю с его выхода напряжение на второй вход усилителя 12, где оно сравнивается с величиной опорного напряжения, задаваемого через блок 17, шину 16 и ЦАП 13. В результате цепь отрицательной обратной связи, образованная усилителями 10 и 12, поддерживает величину напряжения, подаваемого на образец 3 в соответствии со следующей формулой: Ug.io ицАп/Кю, .

где Ug.io - напряжение между токовыми электродами 9, 11;

ицАП - напряжение на выходе ЦАП 13.

Таким образом, установка величины напряжения на образце и закономерность изменения его во времени задаются автоматически программой, вводимой че- рез блок 17.

Часть образца 3 между зондом 2 и электродом 9 включена через измеритель 8 в цепь отрицательной обратной связи усилителя 1. При этом на выходе усилителя 1 и на электроде 9 поддерживается напряжение Ug такой величины, при которой напряжение U2 на зонде 2 близко к потенциалу общей шины;

U2 Ug/Ki,

где KI - коэффициент усиления усилителя 1 (предполагается, что Ki 1);

Ug - напряжение на электроде 9. Выход усилителя 1 и выход усилителя 12 образуют мостовой источник питания об- разца 3. При этом два участка образца 3 между зондом 2 и электродами 9 и 11 составляют два плеча второй ветви моста. Для напряжений Ug и Uii, возникающих на выходах усилителей 1 и 12, выполняется следу- ющее соотношение: иэ Л2 Uii R2.li

где R2.9 и R2. 11 - сопротивления участков обрЛца 3 между зондом 2 и электродом 9 и зондом 2 и электродом 11 соответственно. Напряжения Ug и Un автоматически устз- навливаются противоположной полярности по отношению к потенциалу зонда 2 образца 3 так, что напряжение на нем по отноше- нию к общей шине близко к нулю. Величина суммы напряжений Ug и Un поддерживается такой, чтобы она была пропорциональна величине напряжения на выходе ЦАП 13.

Таким образом, два истрчника напряже- ния образуют единый плавающий источник напряжения со средней точкой, жестко привязывающий потенциал зонда 2 к потенциалу общей шины.

Закон изменения индукции магнитного поля Bz задаются программой управляющей ЭВМ через блок 17 в виде цифрового кода, поступающего через шину 16 на вход ЦАП 15, в котором код преобразуется в аналоговое напряжение, подаваемое затем на вход питания электромагнита 14.

Управление работой АУП 4, 5 измерителя 8 и ЦАП 13 и 15, а также считывание информации с выходов АЦП 4, 5 и измерителя 8 также осуществляется через блок 17. В качестве АЦП 4, 5 и измерителя 8 могут быть использованы универсальные цифровые вольтметры, например В7-42, в ка естве ЦАП 13. 15 - приборы Ф7088. Обмен информацией через блок 17 и шину 16

может быть организован в стандарте КА- МАК (внешняя шина), СЭВ 2740-80 или ГОСТ 26-003-80,

Измерения гальваномагнитных эффектов производятся устройством автоматически по заданному алгоритму.

На верхнем графике фиг. 2 представлена циклограмма во времени магнитного поля BZ, из среднем - напряжения электропроводности Us и тока 1х, протекающего через образец 3, на нижнем - напряжения Холла UH, цифрами 1-6 отмечены временные точки - такты измерения напряжений U|, тока 1х, где U - напряжение на попедечных холловских зондах 2, 6, являющееся суммой напряжения Холла и побочных напряжений, таких, как, например, напряжение асимметрии зондов 2, 6, термо- ЭДС, напряжение Эттингсгаузена и т,д.

Процесс измерения гальваномагнитных эффектов осуществляется следующим образом.

Через блок 17 устанавливается заданное напряжение (+Ux) на образце 3 посредством кодов, передаваемых на ЦАП 13, после чего считываются показания АЦП 4, 5 и измерителя 8, и записываются в регистратор 18. Затем, устанавливается заданное магнитное поле {+BJ посредством кодов, передаваемых на ЦАП 15, и вновь считываются показания приборов 4, 5, 8 и т.д, Весь процесс установки заданных напряжений и Считывания выполняется в соответствии с циклограммой измерений, приведенной на фиг. 2, Автоматически обработанные на ЭВМ, которую можно также подключить к блоку 17, результаты измерений и рассчитанные по заданной программе параметры электронного переноса (например, электропроводность, подвижность, концентрация носителей заряда) регистрируются в виде численных значений и графиков соответствующих зависимостей на регистраторе -18.

Предлагаемое устройство обеспечивает измерение указанных гальваномагнитных эффектов и на образце с четырьмя контактами, в котором отсутствует зонд 7. При атом вносятся погрешности, обусловленные контактными сопротивлениями электродов 9 и 11. Устройство позволяет также измерять электропроводность и магниторезистивный эффект в образцах с двумя токовыми электродами.

В предлагаемом устройстве во-первых, исключаются погрешности, вызванные на- 5 водками при питании незаземленного источника напряжения от сети переменного тока, и погрешности, вызванные дрейфом напряжения и химическими выделениями химических источников напряжения. Во10 вторых, обеспечивается автоматизация процесса из.мерений благодаря автоматическому управлению величиной напряжения, подаваемого на образец, величиной поля, автоматическому съему показаний.

5Таким образом, 11редлагаемое устройство является более точным и производительным.

Формула изобретения Устройство для исследования гальвано0 магнитных эффектов в полупроводниках, содержащее источник магнитного поля, регистратор, измеритель тока, первый вход ко- торого соединен с первым токовым электродом, второй токовый электрод и два

5 зонда, первый из которых соединен с входом усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и производительности, оно снабжено третьим зондом, двумя усилителями и двумя

0 аналого-цифровыми преобразователями, двумя цифроаналоговыми преобразователями и блоком интерфейса, при этом блок интерфейса соединен шиной данных с входами регистратора и обоих цифроаналого5 вых преобразователей и выходами обоих аналого-цифровых преобразователей и измерителя тока, выполненного в виде цифрового измерителя тока, первы й вход второго усилителя соединен с вторым токовым элек0 тродом и выходом третьего усилителя, первый вход которого соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя, первый токовый электрод соединен с вторым входом второго усилителя, выход ко5 торого соединен с вторым входом третьего усилителя, второй и третий зонды соединены с входами соответствующих аналого- цифровых преобразователей, выход второго цифроаналогового преобразовате0 ля соединен с входом электромагнита, а второй вход цифрового измерителя тока соединен с выходом первого усилителя.

Л. ™-J.. 3 . & 6 t

ФL. г

.