CN102914502A - 半导体材料少子寿命无接触非破坏测试仪 - Google Patents

Abstract

半导体材料少子寿命无接触非破坏测试仪，涉及一种测试仪。提供一种灵敏度较高、结构简洁、操作方便的可实现对半导体材料少数载流子寿命的无接触无破坏测量的半导体材料少子寿命无接触非破坏测试仪。设有微波***、固体激光器、信号发生器和相移检测电路；所述微波***设有压控振荡器、衰减器、谐振腔和检波器；所述固体激光器设于所述谐振腔下方；所述相移检测电路设有调制信号检测电路、光电导信号检测电路、矩形波生成电路、脉宽检测电路和微处理器；所述调制信号检测电路和光电导信号检测电路通过信号选择开关分别连接，采用工作于高Q值低损耗模的谐振腔，具有无接触、高灵敏度和易调谐的优点。结构简单、操作方便。

Description

半导体材料少子寿命无接触非破坏测试仪

技术领域

本发明涉及一种测试仪，尤其是涉及一种半导体材料少子寿命无接触非破坏测试仪。

背景技术

半导体薄片材料中的少子扩散长度、少子寿命及表面复合速度是表征半导体材料性能的一些重要参数，在器件制造过程中可以通过测试这些参数作为器件工艺监控的一种手段。其中非平衡少数载流子寿命是最基本的参数之一，它与材料的完整性、某些杂质的含量以及样品的表面状态有极密切的关系，直接影响双极性器件的直流放大倍数、开关时间、MOS动态存贮器的刷新时间、PN结漏电流及CCD器件的转换效率等性能，在材料工艺和器件的研究中占有重要的位置。如太阳能电池基区的少数载流子寿命是影响电池转换效率的最重要参数之一，在电池制造过程中可以通过测试少数载流子寿命作为器件工艺控制的一种手段。

目前，也有少量有关半导体材料少子寿命测量装置的报道，如：中国专利CN86101518A公开了一种用介质波导测量半导体材料少子寿命的装置，该装置是利用光照前后微波透过半导体样品传输信号的变化测量少子寿命。中国专利ZL95243479.2提供了一种测试少子寿命的装置。中国专利ZL200310108310.7提供了一种太阳电池少数截流子寿命分析仪，这两种装置（仪器）都是通过测量光照前后微波辐射半导体样品后反射信号的变化测量少子寿命，而实现微波辐射分别采用喇叭天线和微带面天线。这三种装置（仪器）的共同特点是用脉冲光源激发引起半导体材料少子浓度的跃变，再从撤去激发光后光电导的衰退曲线测量少子寿命。这几种装置（仪器）都需要采用较高功率的脉冲激发源，及对光电导衰退曲线的宽带放大等较复杂的信号调理电路。

发明内容

本发明的目的是提供一种灵敏度较高、结构简洁、操作方便的可实现对半导体材料少数载流子寿命的无接触无破坏测量的半导体材料少子寿命无接触非破坏测试仪。

本发明设有微波***、固体激光器、信号发生器和相移检测电路；

所述微波***设有压控振荡器、衰减器、谐振腔和检波器，压控振荡器输出端接衰减器输入端，衰减器输出端接谐振腔输入端，在谐振腔端盖上设有对称的LC谐振式孔缝，谐振腔用于被测样品的安置，谐振腔输出端接检波器输入端，检波器信号输出端接相移检测电路；

所述固体激光器设于所述谐振腔下方，固体激光器的激光光路对准所述LC谐振式孔缝；信号发生器的信号输出端分别接固体激光器调制信号输入端和相移检测电路的信号输入端；

所述相移检测电路设有调制信号检测电路、光电导信号检测电路、矩形波生成电路、脉宽检测电路和微处理器；

所述调制信号检测电路和光电导信号检测电路通过信号选择开关分别连接，调制信号检测电路设有依次连接的微分电路、过零方波转换电路、相移电路和分频电路；光电导信号检测电路设有依次连接的放大电路、微分电路、过零方波转换电路、相移电路和分频电路；放大电路的输入端通过信号选择开关分别与调制信号检测电路和光电导信号检测电路连接；调制信号检测电路的分频电路输出端接入矩形波生成电路输入端，光电导信号检测电路的分频电路的输出端也接入矩形波生成电路输入端，矩形波生成电路输出端接脉宽检测电路输入端，脉宽检测电路输出端接微处理器读取信号输入端，微处理器控制信号输出端分别接所述调制信号检测电路中的相移电路和分频电路的控制信号输入端，同时，微处理器控制信号输出端也分别接所述光电导信号检测电路中的放大电路、相移电路和分频电路的控制信号输入端。

所述检波器可采用晶体二极管检波器。

所述信号发生器可采用通用信号发生器。

所述脉宽检测电路可直接采用单片机中的定时器电路。

所述相移检测电路最好设有单独的壳体，相移检测电路安装于壳体中，壳体的前面板设有电源开关、数字显示屏、调制信号输入接头（BNC接头）、光电导信号输入接头（BNC接头）及键盘；所述调制信号输入接头通过信号线接与所述信号发生器的信号输出端连接，该信号发生器的信号输出端输出调制信号；所述光电导信号输入接头与所述检波器的信号输出端连接，该检波器的信号输出端输出光电导信号；所述键盘包含复位、功能选择及数字输入等按键。

本发明的工作原理如下：

信号发生器（通用信号发生器）产生正弦信号，固体激光器产生激光的光强受到单频的正弦信号调制，调制激光对准LC谐振式孔缝，准确地照射到被测样品的测量点，引起被测样品材料光电导率变化，因为被测样品从谐振腔中耦合的微波能量与被测样品的光电导率成正比，所以微波***后端的检波器可检测出通过微波***能量的变化，即可检测出与调制信号同频率不同相位的正弦的光电导信号，比较光电导信号与加在固体激光器上的调制信号的相位差，由于该信号是单一频率，只需简单放大后与调制信号比较相位差就可计算得到少子寿命。

本发明为了更好地检测相移信号，结合单片机设计了一套测量相移的相移检测电路，该相移检测电路可对加在固体激光器上的调制信号及由晶体二极管检波器检测出的光电导信号分别进行放大、微分，可方便地检测出它们各自峰点的相对位置，并得到一个宽度反映相位差的矩形波信号，而且可利用微处理器（单片机）中的定时器测量该宽度；同时还可利用微处理器（单片机）对放大电路、相移电路和分频电路进行控制。本发明控制参数也可按需要选择性显示。

由此可见，与现有技术比较，本发明具有如下突出优点：

本发明检测传感器采用工作于高Q值低损耗模的谐振腔，具有无接触、高灵敏度和易调谐的优点。除采用高Q值谐振腔作为传感器外，本发明方法的另一优点是单频正弦波形式的激发信号和光电导信号更容易通过微处理器实现无失真放大调理，测试计算得到的半导体载流子寿命可实时显示，测试仪便携性高，可实现高效自动化测量。此外结构简洁、操作方便。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意框图。

图2为本发明实施例中的相移检测电路框图。

图3为本发明实施例的检波器的信号输出端输出的光电导信号接入相移检测电路后的放大及滤波电路原理图。

图4为本发明实施例的相移检测电路中的微分电路和过零方波转换电路方框图。

图5为图4所示的本发明实施例的相移检测电路中各节点的电压波形示意图。

图6为本发明实施例的相移电路方框图。

图7为本发明实施例的相移检测电路中的分频电路方框图。

图8为本发明实施例的相移检测电路中的脉宽检测电路原理（即单片机定时器脉宽检测电路）示意图。

图9为本发明实施例的用于安装相移检测电路的壳体的前面板示意图。

具体实施方式

参见图1和2，本发明实施例设有微波***、固体激光器2、通用信号发生器3和相移检测电路4。

微波***设有压控振荡器11、衰减器12、谐振腔13和晶体二极管检波器14。压控振荡器11输出端接衰减器12输入端，衰减器12输出端接谐振腔13输入端，在谐振腔13的端盖上设有对称的LC谐振式孔缝，谐振腔13用于被测样品的安置，谐振腔13输出端接晶体二极管检波器14输入端，晶体二极管检波器14信号输出端接相移检测电路4。

固体激光器2设于所述谐振腔13下方，固体激光器2的激光光路对准所述LC谐振式孔缝；通用信号发生器3的信号输出端分别接固体激光器2的调制信号输入端和相移检测电路4的信号输入端。

相移检测电路4设有调制信号检测电路、光电导信号检测电路、矩形波生成电路411、脉宽检测电路和单片机412（脉宽检测电路可直接采用单片机412中的定时器电路）。调制信号检测电路和光电导信号检测电路2条电路通过信号选择开关41分别连接。调制信号检测电路设有依次连接的微分电路42、过零方波转换电路43、相移电路44和分频电路45；光电导信号检测电路设有依次连接的放大电路47、微分电路48、过零方波转换电路49、相移电路44和分频电路410。放大电路47的输入端通过信号选择开关41分别与调制信号检测电路和光电导信号检测电路连接。调制信号检测电路的分频电路45输出端接入矩形波生成电路411输入端，光电导信号检测电路的分频电路45的输出端也接入矩形波生成电路411输入端。矩形波生成电路411输出端接脉宽检测电路（即单片机412中的定时器电路）输入端，脉宽检测电路（即单片机412中的定时器电路）输出端接单片机412的读取信号输入端，单片机412控制信号输出端分别接所述调制信号检测电路中的相移电路44和分频电路45的控制信号输入端，同时，单片机412控制信号输出端也分别接所述光电导信号检测电路中的放大电路47、相移电路44和分频电路410的控制信号输入端。在图2中，符号In1表示调制信号；In2表示光电导信号。

参见图3，所述放大电路和滤波电路将一般只有几毫伏到几十毫伏的光电导检测输出信号放大到标准幅度（0～5V）后再进行处理。图中A1，A2组成同相并联差动放大器，A3是起减去作用的差动放大器。多路开关CD4051由程序控制选通R1～R8，实现由程序控制放大倍数。为削弱A1、A2不对称引起的共模干扰接A4作为电压跟随器。A5组成二阶带通滤波电路，频率宽度为1KHz～20KHz。在图3中，R0＝R9＝100k，R1=30，R2=100，R3=330，R4=1k，R5=3.3k，R6=10k，R7=46k，R8=120K，R10=R11=R15=R17=R19=20K，R12=R14=10K，R13=15K，R16=4.7K，R18=6.3K，C1=10pF，C2=4.7pF，C3=65pF。

参见图4，所述为相移检测电路，通过将峰点微分转换成零点进行比较来实现。由LM393组成施密特电压比较器，用于检测微分后信号的零点，将正弦波信号转换为矩形波信号，且前上升沿对应于微分信号过零点时刻。由CD4013双D触发器组成鉴相电路对两路输入信号的上升沿进行鉴相，得到脉宽正比例于调制信号和检测信号之间相位差的脉冲序列。在图4中，R1＝R2＝R3＝R4＝100k，R5＝R6＝20k。

参见图5，图5为图4所示的相移检测电路中各节点的电压波形示意图。

参见图6，移相电路用以抵消检测信号经过放大、微分后带来的附加相移。将输入的参考信号送入CC4046锁相环，锁相环的输出为360倍于输入信号频率上，BCD码计数器4518级连成除90分频器，因此触发器C的输出频率是4倍于输入频率，4013D型触发器A，B级连成除4方式工作，同时产生四个90°移相输出。相移角度输入的数字信号为D0～D7，它用二－十进制数来选择所需求的相位，由二片4585四位数字量值比较器与计数器的计数值相比较，相等时“A＝B”端输出为“1”电平，这个信号作为D型触发器D的时钟输入。四个90°移相对应的哪一个象限输出由4066四双向模拟开关控制，所以对应于第一至第四象限在相移输出端得到的相移角度为相角输入的度数加上0、90°、180°和270°。在图6中，R1＝315，R2＝2K，R3＝3K，C1＝470nF，C2＝100pF。

参见图7，所述为分频电路，将高频检测信号的频率降下来，用以匹配较低的单片机的工作频率6M。采用4522减法计数器组成可编程分频器，电路中D1～D4为预置数输入端，一旦预置了分频系数，计数器就对输入脉冲进行减法计数并再重新置数，实现对输入脉冲分频。

参见图8，采用8031CPU，其内部计数器对正脉冲Tx测量脉宽。当和CPU引脚

时，其计数器处于内部计数状态。此时，若设定TR0＝1和GATE＝1，则T0是否计数将由INT0的信号决定：当INT0由0变化到1时，则T0计数；当INT0由1变化到0时停止计数，通过计数值可方便地求出脉宽。

参见图9，所述相移检测电路设有单独壳体（未画出），相移检测电路安装于壳体中，壳体的前面板设有电源开关71、数字显示屏72、调制信号输入接头73（BNC接头）、光电导信号输入接头74（BNC接头）及键盘75。调制信号输入接头74通过信号线接与所述通用信号发生器的信号输出端连接，该通用信号发生器的信号输出端输出调制信号；所述光电导信号输入接头74与所述晶体二极管检波器的信号输出端连接，该晶体二极管检波器的信号输出端输出光电导信号；所述键盘75包含复位、功能选择及数字输入等按键。

下面对本发明实施例的工作原理作进一步说明：

压控振荡器11的输出端经衰减器12后接谐振腔13，样品设于谐振腔13上，激光调制***中固体激光器2设于谐振腔13下方，晶体二极管检波器14的输入端接谐振腔13，晶体二极管检波器14的输出端接相移检测电路4，

调制固体激光器2的信号是由通用信号发生器3产生的正弦信号，其分压后也接相移检测电路4，用于与晶体二极管检波器14输出的光电导信号比较相位。

为了更好地检测相移信号，结合单片机设计了一套测量相移的电路。电路设计的基本思路是：分别对调制信号和检波二极管检测出的信号放大、微分，以便检测它们各自峰点的相对位置，得到宽度反映相位差的矩形波信号，利用单片机中的定时器测量其宽度，同时还利用单片机对放大电路、相移电路和分频电路进行控制。

通用信号发生器3产生的正弦信号除了调制固体激光器2外，还需送入相移检测电路4中与晶体二极管检波器14检测的光电导信号比较相位差，在相移检测电路4中，调制信号In1分别经过微分电路42、过零方波转换电路43、相移电路44和分频电路45后送入矩形波生成电路411。晶体二极管检波器14检测的光电导信号In2在相移检测电路4中经过放大电路47、微分电路48、过零方波转换电路49和分频电路410后送入矩形波生成电路411。矩形波生成电路411生成宽度反映调制信号3与光电导信号相位差的矩形波信号，利用单片机中的定时器测量其宽度。选择开关41用来选择相移检测电路是输入光电导信号还是调制信号，以便用于测量调制信号和光电导信号相位差时对经过两条不同电路带来的附加相移进行校准。

光电导检测输出信号一般只有几毫伏到几十毫伏，要将信号放大到标准幅度（0～5V）后才能进行再处理。图3为放大电路和滤波电路，Ui是输入信号，U0是输出信号。图中A1，A2组成同相并联差动放大器，A3是起减去作用的差动放大器。R1～R8通过多路开关和R0相连，它们的阻值可以根据不同放大倍数的要求按公式K＝1＋2Ri/R0取计。单片机8031控制的8255芯片PA口输出到多路开关CD4051的A、B、C通路选择控制端，由程序控制选通R1～R8中哪一个电阻和R0接通，实现由程序控制放大器的放大倍数。在A1，A2完全对称的情况下，放大电路的共模抑制比由A3的共模抑制比决定，所以A3应选用抑制比高的运算放大器，如AD8221。A4做为电压跟随器，削弱A1、A2不对称引起的共模干扰。A5组成滤波电路，滤波电路是二阶带通滤波器，由低通滤波器和高通滤波器组合而成，频率宽度为1KHz～20KHz。A1、A2、A4、A5可选择OP07运算放大器。

调制信号和检测信号的相位差是通过检测两种信号峰点之间相对位置得到的。在电路上通过将峰点微分转换成零点进行比较来实现的。如图4所示，由LM393组成施密特电压比较器，用于检测微分后信号的零点，当输入信号大于0时，LM393输出高电平；当输入信号U1<－(R1/R2)×Vcc时，输出低电平。这样正弦波信号转换为矩形波信号，且前上升沿对应于微分信号过零点时刻，下降沿对应于－(R1/R2)×Vcc时刻，当输入信号辐度变化时，下降沿时刻跟着变化，上升沿时刻总保持不变。

如图4和5所示，由CD4013双D触发器组成鉴相电路，该电路简单、线性度好。CD4013是上升沿触发双D触发器，由它组成的鉴相器对两路输入信号的上升沿进行鉴相，与输入信号的下降沿无关，因此鉴相输出的脉冲信号不受输入信号辐度的影响。各点的波形见图5，从图5中可以看出，鉴相输出的脉冲序列脉宽正比例于调制信号和检测信号之间的相位差。

光电导检测信号经过放大电路、微分电路之后，不可避免地由于这些电路的频率特性引起相移，如果未加校正进行检测信号的相位差，必将带来错误，所以调制信号一路在信号进入鉴相器之前加入一移相电路，在测量时进行调整，以抵消因检测信号经过放大、微分后带来的附加相移。即在检测相移差之前，调制信号检测电路和光电导信号检测电路同时输入调制信号，这样不可避免产生附加相移，为消除此附加相移，在相移电路中设定补偿相移，使调制信号检测电路与光电导信号检测电路的输出信号的相位差为零。然后将信号选择开关41拨向光电导信号，此时测得的相移差为真实的。

相移电路如图6所示。相移电路的工作过程简述如下，将输入的参考信号送入CC4046锁相环，锁相环的输出被锁定在360倍于输入信号频率上，图中的BCD码计数器4518级连成除90分频器，因而在第90个输入脉冲的下降沿能把计数器复位为零。此时触发器C的输出频率是4倍于输入频率，即4fin，而4013D型触发器A，B级连成除4方式工作，同时产生四个90°移相输出，因此在锁相环的相位比较器输入③得到和输入信号fin每一循环相一致的同相信号，锁相信号还和计数器复位信号同相。控制相移角度改变的数字控制信号为D0～D7，它用二－十进制数来选择所需求的相位，D0～D7送入由二片级联的4585四位数字量比较器的比较输入端，与计数器的计数值相比较，当计数器计时到和相移角度选择输入的数值相等时，数字量比较器的输出“A＝B”为“1”电平，这个信号作为D型触发器D的时钟输入。由于锁相环的输出频率是360倍于输入频率fin，计数工作的每一循环为除90，因而输入信号fin每一循环时，数字量值比较器输出“A＝B”输出“1”的电平状态为4次，这时四个象限中哪一个象限输出由4066四双向模拟开关控制。因为在计数器中每隔频率为360倍fin的90个脉冲，象限变化一个，这样每个象限上可供选择的相移为0～90°。虽然检测信号和调制信号的相位差不会超过90°，但是电路调整时需要更换象限，所以对应于第一至第四象限在相移输出端得到的相移角度为相角输入的度数加上0、90°、180°和270°。另外，CC4046的10脚指示其参考信号与输入信号是否锁定，当锁定时，输出为“1”，失锁时，输出为“0”。

单片机的工作频率6M，定时器工作是四个机器周期作为一个计数单位，所以定时器的工作频率为1.5M，用这样的频率测量20KHz的信号显然不够，因为对20KHz的信号，相位差所占的时间约为0.14μs，所以需要将高频检测信号的频率降下来。另外相移电路的工作频率也不可能太高，所以有必要在相移电路之前加上分频电路，我们用减法计数器组成可编程分频器，电路如图7所示。4522是内含减法计数器，RS触发器的可预置BCD码的六计数器，电路中D1～D4为预置数输入端，一旦预置了分频系数N，计数器就对输入脉冲进行减法计数到0状态，第一级计数器的C0端变为高电平，又重新置数，电路如此对输入脉冲进行N分频。

如图8所示，采用8031CPU，具有两个计数器/定时器，可以方便地进行内部定时和外部计数，若其引脚

时，则8031处于内部计数状态。此时，若设定TR0＝1和GATE＝1，则T0是否计数将由INT0的信号决定：当INT0由0变化到1时，则T0计数；当INT0由1变化到0时停止计数。这样，将正信号接在INT0上，就可方便地求出正的脉宽Tx。

图9是这种测试仪前面板图，开关71控制仪器的电源，数显72显示载流子寿命及控制功能信息，BNC接头73是调制信号输入接头，BNC接头74是光电导信号输入接头，键盘75包含复位、功能选择及数字输入等按键。

Claims (5)

1.半导体材料少子寿命无接触非破坏测试仪，其特征在于设有微波***、固体激光器、信号发生器和相移检测电路；

微波***设有压控振荡器、衰减器、谐振腔和检波器，压控振荡器输出端接衰减器输入端，衰减器输出端接谐振腔输入端，在谐振腔端盖上设有对称的LC谐振式孔缝，谐振腔用于被测样品的安置，谐振腔输出端接检波器输入端，检波器信号输出端接相移检测电路；

固体激光器设于所述谐振腔下方，固体激光器的激光光路对准所述LC谐振式孔缝；信号发生器的信号输出端分别接固体激光器调制信号输入端和相移检测电路的信号输入端；

相移检测电路设有调制信号检测电路、光电导信号检测电路、矩形波生成电路、脉宽检测电路和微处理器；

调制信号检测电路和光电导信号检测电路通过信号选择开关分别连接，调制信号检测电路设有依次连接的微分电路、过零方波转换电路、相移电路和分频电路；光电导信号检测电路设有依次连接的放大电路、微分电路、过零方波转换电路、相移电路和分频电路；放大电路的输入端通过信号选择开关分别与调制信号检测电路和光电导信号检测电路连接；调制信号检测电路的分频电路输出端接入矩形波生成电路输入端，光电导信号检测电路的分频电路的输出端也接入矩形波生成电路输入端，矩形波生成电路输出端接脉宽检测电路输入端，脉宽检测电路输出端接微处理器读取信号输入端，微处理器控制信号输出端分别接所述调制信号检测电路中的相移电路和分频电路的控制信号输入端，同时，微处理器控制信号输出端也分别接所述光电导信号检测电路中的放大电路、相移电路和分频电路的控制信号输入端。

2.如权利要求1所述的半导体材料少子寿命无接触非破坏测试仪，其特征在于所述检波器采用晶体二极管检波器。

3.如权利要求1所述的半导体材料少子寿命无接触非破坏测试仪，其特征在于所述信号发生器采用通用信号发生器。

4.如权利要求1所述的半导体材料少子寿命无接触非破坏测试仪，其特征在于所述脉宽检测电路直接采用单片机中的定时器电路。

5.如权利要求1所述的半导体材料少子寿命无接触非破坏测试仪，其特征在于所述相移检测电路设有单独的壳体，相移检测电路安装于壳体中，壳体的前面板设有电源开关、数字显示屏、调制信号输入接头、光电导信号输入接头及键盘；所述调制信号输入接头通过信号线接与所述信号发生器的信号输出端连接，该信号发生器的信号输出端输出调制信号；所述光电导信号输入接头与所述检波器的信号输出端连接，该检波器的信号输出端输出光电导信号；所述键盘包含复位、功能选择及数字输入按键。

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