專利名稱：一種半導(dǎo)體材料少子壽命無(wú)接觸非破壞測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測(cè)試儀，尤其是涉及一種半導(dǎo)體材料少子壽命無(wú)接觸非破壞測(cè)試儀。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體薄片材料中的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度、少子壽命及表面復(fù)合速度是表征半導(dǎo)體材料性能的一些重要參數(shù)，在器件制造過(guò)程中可以通過(guò)測(cè)試這些參數(shù)作為器件工藝監(jiān)控的一種手段。其中非平衡少數(shù)載流子壽命是最基本的參數(shù)之一，它與材料的完整性、某些雜質(zhì)的含量以及樣品的表面狀態(tài)有極密切的關(guān)系，直接影響雙極性器件的直流放大倍數(shù)、開(kāi)關(guān)時(shí)間、MOS動(dòng)態(tài)存貯器的刷新時(shí)間、PN結(jié)漏電流及CCD器件的轉(zhuǎn)換效率等性能，在材料工藝和器件的研究中占有重要的位置。如太陽(yáng)能電池基區(qū)的少數(shù)載流子壽命是影響電池轉(zhuǎn)換效率的最重要參數(shù)之一，在電池制造過(guò)程中可以通過(guò)測(cè)試少數(shù)載流子壽命作為器件工藝控制的一種手段。目前，也有少量有關(guān)半導(dǎo)體材料少子壽命測(cè)量裝置的報(bào)道，如中國(guó)專利CN86101518A公開(kāi)了一種用介質(zhì)波導(dǎo)測(cè)量半導(dǎo)體材料少子壽命的裝置，該裝置是利用光照前后微波透過(guò)半導(dǎo)體樣品傳輸信號(hào)的變化測(cè)量少子壽命。中國(guó)專利ZL95243479. 2提供了一種測(cè)試少子壽命的裝置。中國(guó)專利ZL200310108310. 7提供了一種太陽(yáng)電池少數(shù)截流子壽命分析儀，這兩種裝置(儀器)都是通過(guò)測(cè)量光照前后微波輻射半導(dǎo)體樣品后反射信號(hào)的變化測(cè)量少子壽命，而實(shí)現(xiàn)微波輻射分別采用喇叭天線和微帶面天線。這三種裝置(儀器)的共同特點(diǎn)是用脈沖光源激發(fā)引起半導(dǎo)體材料少子濃度的躍變，再?gòu)某啡ゼぐl(fā)光后光電導(dǎo)的衰退曲線測(cè)量少子壽命。這幾種裝置(儀器)都需要采用較高功率的脈沖激發(fā)源，及對(duì)光電導(dǎo)衰退曲線的寬帶放大等較復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理電路。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供靈敏度較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、操作方便的可實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體材料少數(shù)載流子壽命的無(wú)接觸無(wú)破壞測(cè)量的一種半導(dǎo)體材料少子壽命無(wú)接觸非破壞測(cè)試儀。本實(shí)用新型設(shè)有微波系統(tǒng)、固體激光器、信號(hào)發(fā)生器和相移檢測(cè)電路；所述微波系統(tǒng)設(shè)有壓控振蕩器、衰減器、諧振腔和檢波器，壓控振蕩器輸出端接衰減器輸入端，衰減器輸出端接諧振腔輸入端，在諧振腔端蓋上設(shè)有對(duì)稱的LC諧振式孔縫，諧振腔用于被測(cè)樣品的安置，諧振腔輸出端接檢波器輸入端，檢波器信號(hào)輸出端接相移檢測(cè)電路；所述固體激光器設(shè)于所述諧振腔下方，固體激光器的激光光路對(duì)準(zhǔn)所述LC諧振式孔縫；信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端分別接固體激光器調(diào)制信號(hào)輸入端和相移檢測(cè)電路的信號(hào)輸入端；所述相移檢測(cè)電路設(shè)有調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路、光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路、矩形波生成電路、脈寬檢測(cè)電路和微處理器；[0009]所述調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路和光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路通過(guò)信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)分別連接，調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)有依次連接的微分電路、過(guò)零方波轉(zhuǎn)換電路、相移電路和分頻電路；光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)有依次連接的放大電路、微分電路、過(guò)零方波轉(zhuǎn)換電路、相移電路和分頻電路；放大電路的輸入端通過(guò)信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)分別與調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路和光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路連接；調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路的分頻電路輸出端接入矩形波生成電路輸入端，光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路的分頻電路的輸出端也接入矩形波生成電路輸入端，矩形波生成電路輸出端接脈寬檢測(cè)電路輸入端，脈寬檢測(cè)電路輸出端接微處理器讀取信號(hào)輸入端，微處理器控制信號(hào)輸出端分別接所述調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路中的相移電路和分頻電路的控制信號(hào)輸入端，同時(shí)，微處理器控制信號(hào)輸出端也分別接所述光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路中的放大電路、相移電路和分頻電路的控制信號(hào)輸入端。所述檢波器可采用晶體二極管檢波器。 所述信號(hào)發(fā)生器可采用通用信號(hào)發(fā)生器。所述脈寬檢測(cè)電路可直接采用單片機(jī)中的定時(shí)器電路。所述相移檢測(cè)電路最好設(shè)有單獨(dú)的殼體，相移檢測(cè)電路安裝于殼體中，殼體的前面板設(shè)有電源開(kāi)關(guān)、數(shù)字顯示屏、調(diào)制信號(hào)輸入接頭(BNC接頭)、光電導(dǎo)信號(hào)輸入接頭(BNC接頭)及鍵盤；所述調(diào)制信號(hào)輸入接頭通過(guò)信號(hào)線接與所述信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端連接，該信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端輸出調(diào)制信號(hào)；所述光電導(dǎo)信號(hào)輸入接頭與所述檢波器的信號(hào)輸出端連接，該檢波器的信號(hào)輸出端輸出光電導(dǎo)信號(hào)；所述鍵盤包含復(fù)位、功能選擇及數(shù)字輸入等按鍵。本實(shí)用新型的工作原理如下信號(hào)發(fā)生器(通用信號(hào)發(fā)生器)產(chǎn)生正弦信號(hào)，固體激光器產(chǎn)生激光的光強(qiáng)受到單頻的正弦信號(hào)調(diào)制，調(diào)制激光對(duì)準(zhǔn)LC諧振式孔縫，準(zhǔn)確地照射到被測(cè)樣品的測(cè)量點(diǎn)，引起被測(cè)樣品材料光電導(dǎo)率變化，因?yàn)楸粶y(cè)樣品從諧振腔中耦合的微波能量與被測(cè)樣品的光電導(dǎo)率成正比，所以微波系統(tǒng)后端的檢波器可檢測(cè)出通過(guò)微波系統(tǒng)能量的變化，即可檢測(cè)出與調(diào)制信號(hào)同頻率不同相位的正弦的光電導(dǎo)信號(hào)，比較光電導(dǎo)信號(hào)與加在固體激光器上的調(diào)制信號(hào)的相位差，由于該信號(hào)是單一頻率，只需簡(jiǎn)單放大后與調(diào)制信號(hào)比較相位差就可計(jì)算得到少子壽命。本實(shí)用新型為了更好地檢測(cè)相移信號(hào)，結(jié)合單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套測(cè)量相移的相移檢測(cè)電路，該相移檢測(cè)電路可對(duì)加在固體激光器上的調(diào)制信號(hào)及由晶體二極管檢波器檢測(cè)出的光電導(dǎo)信號(hào)分別進(jìn)行放大、微分，可方便地檢測(cè)出它們各自峰點(diǎn)的相對(duì)位置，并得到一個(gè)寬度反映相位差的矩形波信號(hào)，而且可利用微處理器(單片機(jī))中的定時(shí)器測(cè)量該寬度；同時(shí)還可利用微處理器(單片機(jī))對(duì)放大電路、相移電路和分頻電路進(jìn)行控制。本實(shí)用新型控制參數(shù)也可按需要選擇性顯示。由此可見(jiàn)，與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實(shí)用新型具有如下突出優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型檢測(cè)傳感器采用工作于高Q值低損耗模的諧振腔，具有無(wú)接觸、高靈敏度和易調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)。除采用高Q值諧振腔作為傳感器外，本實(shí)用新型方法的另一優(yōu)點(diǎn)是單頻正弦波形式的激發(fā)信號(hào)和光電導(dǎo)信號(hào)更容易通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)無(wú)失真放大調(diào)理，測(cè)試計(jì)算得到的半導(dǎo)體載流子壽命可實(shí)時(shí)顯示，測(cè)試儀便攜性高，可實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化測(cè)量。此外結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、操作方便。
圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意框圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中的相移檢測(cè)電路框圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的檢波器的信號(hào)輸出端輸出的光電導(dǎo)信號(hào)接入相移檢測(cè)電路后的放大及濾波電路原理圖。圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的相移檢測(cè)電路中的微分電路和過(guò)零方波轉(zhuǎn)換電路方框圖。圖5為圖4所示的本實(shí)用新型實(shí)施例的相移檢測(cè)電路中各節(jié)點(diǎn)的電壓波形示意圖。圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例的相移電路方框圖。圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例的相移檢測(cè)電路中的分頻電路方框圖。圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例的相移檢測(cè)電路中的脈寬檢測(cè)電路原理(即單片機(jī)定時(shí)器脈寬檢測(cè)電路)示意圖。圖9為本實(shí)用新型實(shí)施例的用于安裝相移檢測(cè)電路的殼體的前面板示意圖。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1和2，本實(shí)用新型實(shí)施例設(shè)有微波系統(tǒng)、固體激光器2、通用信號(hào)發(fā)生器3和相移檢測(cè)電路4。微波系統(tǒng)設(shè)有壓控振蕩器11、衰減器12、諧振腔13和晶體二極管檢波器14。壓控振蕩器11輸出端接衰減器12輸入端，衰減器12輸出端接諧振腔13輸入端，在諧振腔13的端蓋上設(shè)有對(duì)稱的LC諧振式孔縫，諧振腔13用于被測(cè)樣品的安置，諧振腔13輸出端接晶體二極管檢波器14輸入端，晶體二極管檢波器14信號(hào)輸出端接相移檢測(cè)電路4。固體激光器2設(shè)于所述諧振腔13下方，固體激光器2的激光光路對(duì)準(zhǔn)所述LC諧振式孔縫；通用信號(hào)發(fā)生器3的信號(hào)輸出端分別接固體激光器2的調(diào)制信號(hào)輸入端和相移檢測(cè)電路4的信號(hào)輸入端。相移檢測(cè)電路4設(shè)有調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路、光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路、矩形波生成電路411、脈寬檢測(cè)電路和單片機(jī)412 (脈寬檢測(cè)電路可直接采用單片機(jī)412中的定時(shí)器電路)。調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路和光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路2條電路通過(guò)信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)41分別連接。調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)有依次連接的微分電路42、過(guò)零方波轉(zhuǎn)換電路43、相移電路44和分頻電路45 ;光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)有依次連接的放大電路47、微分電路48、過(guò)零方波轉(zhuǎn)換電路49、相移電路44和分頻電路410。放大電路47的輸入端通過(guò)信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)41分別與調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路和光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路連接。調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路的分頻電路45輸出端接入矩形波生成電路411輸入端，光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路的分頻電路45的輸出端也接入矩形波生成電路411輸入端。矩形波生成電路411輸出端接脈寬檢測(cè)電路(即單片機(jī)412中的定時(shí)器電路)輸入端，脈寬檢測(cè)電路(即單片機(jī)412中的定時(shí)器電路)輸出端接單片機(jī)412的讀取信號(hào)輸入端，單片機(jī)412控制信號(hào)輸出端分別接所述調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路中的相移電路44和分頻電路45的控制信號(hào)輸入端，同時(shí)，單片機(jī)412控制信號(hào)輸出端也分別接所述光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路中的放大電路47、相移電路44和分頻電路410的控制信號(hào)輸入端。在圖2中，符號(hào)Inl表不調(diào)制信號(hào)；In2表不光電導(dǎo)信號(hào)。參見(jiàn)圖3，所述放大電路和濾波電路將一般只有幾毫伏到幾十毫伏的光電導(dǎo)檢測(cè)輸出信號(hào)放大到標(biāo)準(zhǔn)幅度(O 5V)后再進(jìn)行處理。圖中A1，A2組成同相并聯(lián)差動(dòng)放大器，A3是起減去作用的差動(dòng)放大器。多路開(kāi)關(guān)⑶4051由程序控制選通Rl R8，實(shí)現(xiàn)由程序控制放大倍數(shù)。為削弱A1、A2不對(duì)稱引起的共模干擾接A4作為電壓跟隨器。A5組成二階帶通濾波電路，頻率寬度為 IKHz 20KHz。在圖 3 中，RO = R9 = 100k,Rl=30,R2=100,R3=330,R4=lk, R5=3. 3k, R6=10k, R7=46k, R8=120K, RlO=Rl1=R15=R17=R19=20K, R12=R14=10K,R13=15K, R16=4. 7K, R18=6. 3K, Cl=IOpF, C2=4. 7pF, C3=65pF。參見(jiàn)圖4，所述為相移檢測(cè)電路，通過(guò)將峰點(diǎn)微分轉(zhuǎn)換成零點(diǎn)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。由LM393組成施密特電壓比較器，用 于檢測(cè)微分后信號(hào)的零點(diǎn)，將正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換為矩形波信號(hào)，且前上升沿對(duì)應(yīng)于微分信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻。由⑶4013雙D觸發(fā)器組成鑒相電路對(duì)兩路輸入信號(hào)的上升沿進(jìn)行鑒相，得到脈寬正比例于調(diào)制信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)之間相位差的脈沖序列。在圖 4 中，Rl = R2 = R3 = R4 = 100k, R5 = R6 = 20k。參見(jiàn)圖5，圖5為圖4所示的相移檢測(cè)電路中各節(jié)點(diǎn)的電壓波形示意圖。參見(jiàn)圖6，移相電路用以抵消檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、微分后帶來(lái)的附加相移。將輸入的參考信號(hào)送入CC4046鎖相環(huán),鎖相環(huán)的輸出為360倍于輸入信號(hào)頻率上，B⑶碼計(jì)數(shù)器4518級(jí)連成除90分頻器，因此觸發(fā)器C的輸出頻率是4倍于輸入頻率，4013D型觸發(fā)器A，B級(jí)連成除4方式工作，同時(shí)產(chǎn)生四個(gè)90°移相輸出。相移角度輸入的數(shù)字信號(hào)為DO D7，它用二一十進(jìn)制數(shù)來(lái)選擇所需求的相位，由二片4585四位數(shù)字量值比較器與計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值相比較，相等時(shí)“A = B”端輸出為“I”電平，這個(gè)信號(hào)作為D型觸發(fā)器D的時(shí)鐘輸入。四個(gè)90°移相對(duì)應(yīng)的哪一個(gè)象限輸出由4066四雙向模擬開(kāi)關(guān)控制，所以對(duì)應(yīng)于第一至第四象限在相移輸出端得到的相移角度為相角輸入的度數(shù)加上0、90°、180°和270°。在圖6 中，Rl = 315，R2 = 2K, R3 = 3K, Cl = 470nF, C2 = IOOpFo參見(jiàn)圖7，所述為分頻電路，將高頻檢測(cè)信號(hào)的頻率降下來(lái)，用以匹配較低的單片機(jī)的工作頻率6M。采用4522減法計(jì)數(shù)器組成可編程分頻器，電路中Dl D4為預(yù)置數(shù)輸入端，一旦預(yù)置了分頻系數(shù)，計(jì)數(shù)器就對(duì)輸入脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)并再重新置數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入脈沖分頻。參見(jiàn)圖8，采用8031CPU，其內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)正脈沖Tx測(cè)量脈寬。當(dāng)和CPU引腳ΠΓ=(>時(shí)，其計(jì)數(shù)器處于內(nèi)部計(jì)數(shù)狀態(tài)。此時(shí)，若設(shè)定TRO = I和GATE = 1，則TO是否計(jì)數(shù)將由INTO的信號(hào)決定當(dāng)INTO由O變化到I時(shí)，則TO計(jì)數(shù)；當(dāng)INTO由I變化到O時(shí)停止計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)數(shù)值可方便地求出脈寬。參見(jiàn)圖9，所述相移檢測(cè)電路設(shè)有單獨(dú)殼體(未畫出)，相移檢測(cè)電路安裝于殼體中，殼體的前面板設(shè)有電源開(kāi)關(guān)71、數(shù)字顯示屏72、調(diào)制信號(hào)輸入接頭73 (BNC接頭)、光電導(dǎo)信號(hào)輸入接頭74 (BNC接頭)及鍵盤75。調(diào)制信號(hào)輸入接頭74通過(guò)信號(hào)線接與所述通用信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端連接，該通用信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端輸出調(diào)制信號(hào)；所述光電導(dǎo)信號(hào)輸入接頭74與所述晶體二極管檢波器的信號(hào)輸出端連接，該晶體二極管檢波器的信號(hào)輸出端輸出光電導(dǎo)信號(hào)；所述鍵盤75包含復(fù)位、功能選擇及數(shù)字輸入等按鍵。下面對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例的工作原理作進(jìn)一步說(shuō)明壓控振蕩器11的輸出端經(jīng)衰減器12后接諧振腔13，樣品設(shè)于諧振腔13上，激光調(diào)制系統(tǒng)中固體激光器2設(shè)于諧振腔13下方，晶體二極管檢波器14的輸入端接諧振腔13，晶體二極管檢波器14的輸出端接相移檢測(cè)電路4，調(diào)制固體激光器2的信號(hào)是由通用信號(hào)發(fā)生器3產(chǎn)生的正弦信號(hào)，其分壓后也接相移檢測(cè)電路4，用于與晶體二極管檢波器14輸出的光電導(dǎo)信號(hào)比較相位。為了更好地檢測(cè)相移信號(hào)，結(jié)合單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套測(cè)量相移的電路。電路設(shè)計(jì)的基本思路是分別對(duì)調(diào)制信號(hào)和檢波二極管檢測(cè)出的信號(hào)放大、微分，以便檢測(cè)它們各自峰點(diǎn)的相對(duì)位置，得到寬度反映相位差的矩形波信號(hào)，利用單片機(jī)中的定時(shí)器測(cè)量其寬度，同時(shí)還利用單片機(jī)對(duì)放大電路、相移電路和分頻電路進(jìn)行控制。通用信號(hào)發(fā)生器3產(chǎn)生的正弦信號(hào)除了調(diào)制固體激光器2外，還需送入相移檢測(cè)電路4中與晶體二極管檢波器14檢測(cè)的光電導(dǎo)信號(hào)比較相位差，在相移檢測(cè)電路4中，調(diào)制信號(hào)Inl分別經(jīng)過(guò)微分電路42、過(guò)零方波轉(zhuǎn)換電路43、相移電路44和分頻電路45后送入矩形波生成電路411。晶體二極管檢波器14檢測(cè)的光電導(dǎo)信號(hào)In2在相移檢測(cè)電路4中經(jīng)過(guò)放大電路47、微分電路48、過(guò)零方波轉(zhuǎn)換電路49和分頻電路410后送入矩形波生成電路411。矩形波生成電路411生成寬度反映調(diào)制信號(hào)3與光電導(dǎo)信號(hào)相位差的矩形波信號(hào)，利用單片機(jī)中的定時(shí)器測(cè)量其寬度。選擇開(kāi)關(guān)41用來(lái)選擇相移檢測(cè)電路是輸入光電導(dǎo)信號(hào)還是調(diào)制信號(hào)，以便用于測(cè)量調(diào)制信號(hào)和光電導(dǎo)信號(hào)相位差時(shí)對(duì)經(jīng)過(guò)兩條不同電路帶來(lái)的附加相移進(jìn)行校準(zhǔn)。光電導(dǎo)檢測(cè)輸出信號(hào)一般只有幾毫伏到幾十毫伏，要將信號(hào)放大到標(biāo)準(zhǔn)幅度(O 5V)后才能進(jìn)行再處理。圖3為放大電路和濾波電路，Ui是輸入信號(hào)，UO是輸出信號(hào)。圖中Al, A2組成同相并聯(lián)差動(dòng)放大器，A3是起減去作用的差動(dòng)放大器。Rl R8通過(guò)多路開(kāi)關(guān)和RO相連，它們的阻值可以根據(jù)不同放大倍數(shù)的要求按公式K = I + 2Ri/R0取計(jì)。單片機(jī)8031控制的8255芯片PA 口輸出到多路開(kāi)關(guān)⑶4051的A、B、C通路選擇控制端，由程序控制選通Rl R8中哪一個(gè)電阻和RO接通，實(shí)現(xiàn)由程序控制放大器的放大倍數(shù)。在Al，A2完全對(duì)稱的情況下，放大電路的共模抑制比由A3的共模抑制比決定，所以A3應(yīng)選用抑制比高的運(yùn)算放大器，如AD8221。A4做為電壓跟隨器，削弱A1、A2不對(duì)稱引起的共模干擾。A5組成濾波電路，濾波電路是二階帶通濾波器，由低通濾波器和高通濾波器組合而成，頻率寬度為IKHz 20KHz。A1、A2、A4、A5可選擇0P07運(yùn)算放大器。調(diào)制信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)的相位差是通過(guò)檢測(cè)兩種信號(hào)峰點(diǎn)之間相對(duì)位置得到的。在電路上通過(guò)將峰點(diǎn)微分轉(zhuǎn)換成零點(diǎn)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖4所示，由LM393組成施密特電壓比較器，用于檢測(cè)微分后信號(hào)的零點(diǎn)，當(dāng)輸入信號(hào)大于O時(shí)，LM393輸出高電平；當(dāng)輸入信號(hào)U1〈-(R1/R2) XVcc時(shí)，輸出低電平。這樣正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換為矩形波信號(hào)，且前上升沿對(duì)應(yīng)于微分信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，下降沿對(duì)應(yīng)于-(R1/R2) XVcc時(shí)刻，當(dāng)輸入信號(hào)輻度變化時(shí)，下降沿時(shí)刻跟著變化，上升沿時(shí)刻總保持不變。如圖4和5所示，由⑶4013雙D觸發(fā)器組成鑒相電路，該電路簡(jiǎn)單、線性度好。⑶4013是上升沿觸發(fā)雙D觸發(fā)器，由它組成的鑒相器對(duì)兩路輸入信號(hào)的上升沿進(jìn)行鑒相，與輸入信號(hào)的下降沿?zé)o關(guān)，因此鑒相輸出的脈沖信號(hào)不受輸入信號(hào)輻度的影響。各點(diǎn)的波形見(jiàn)圖5，從圖5中可以看出，鑒相輸出的脈沖序列脈寬正比例于調(diào)制信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)之間的相位差。光電導(dǎo)檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路、微分電路之后，不可避免地由于這些電路的頻率特性引起相移，如果未加校正進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)的相位差，必將帶來(lái)錯(cuò)誤，所以調(diào)制信號(hào)一路在信號(hào)進(jìn)入鑒相器之前加入一移相電路，在測(cè)量時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以抵消因檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、微分后帶來(lái)的附加相移。即在檢測(cè)相移差之前，調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路和光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路同時(shí)輸入調(diào)制信號(hào)，這樣不可避免產(chǎn)生附加相移，為消除此附加相移，在相移電路中設(shè)定補(bǔ)償相移，使調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路與光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路的輸出信號(hào)的相位差為零。然后將信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)41撥向光電導(dǎo)信號(hào)，此時(shí)測(cè)得的相移差為真實(shí)的。相移電路如圖6所示。相移電路的工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下，將輸入的參考信號(hào)送入CC4046鎖相環(huán)，鎖相環(huán)的輸出被鎖定在360倍于輸入信號(hào)頻率上，圖中的BCD碼計(jì)數(shù)器4518級(jí)連成除90分頻器，因而在第90個(gè)輸入脈沖的下降沿能把計(jì)數(shù)器復(fù)位為零。此時(shí)觸發(fā)器C的輸出頻率是4倍于輸入頻率，即4fin，而4013D型觸發(fā)器A，B級(jí)連成除4方式工作，同時(shí)產(chǎn)生四個(gè)90°移相輸出，因此在鎖相環(huán)的相位比較器輸入③得到和輸入信號(hào)fin每一循環(huán)相一致的同相信號(hào)，鎖相信號(hào)還和計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)同相?？刂葡嘁平嵌雀淖兊臄?shù)字控制信號(hào)為DO D7，它用二一十進(jìn)制數(shù)來(lái)選擇所需求的相位，DO D7送入由二片級(jí)聯(lián)的4585四位數(shù)字量比較器的比較輸入端，與計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值相比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)到和相移角度選擇輸入的數(shù)值相等時(shí)，數(shù)字量比較器的輸出“A = B”為“I”電平，這個(gè)信號(hào)作為D型觸發(fā)器D的時(shí)鐘輸入。由于鎖相環(huán)的輸出頻率是360倍于輸入頻率fin,計(jì)數(shù)工作的每一循環(huán)為除90，因而輸入信號(hào)fin每一循環(huán)時(shí)，數(shù)字量值比較器輸出“A = B”輸出“I”的電平狀態(tài)為4次，這時(shí)四個(gè)象限中哪一個(gè)象限輸出由4066四雙向模擬開(kāi)關(guān)控制。因?yàn)樵谟?jì)數(shù)器中每隔頻率為360倍fin的90個(gè)脈沖，象限變化一個(gè)，這樣每個(gè)象限上可供選擇的相移為O 90°。雖然檢測(cè)信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的相位差不會(huì)超過(guò)90°，但是電路調(diào)整時(shí)需要更換象限，所以對(duì)應(yīng)于第一至第四象限在相移輸出端得到的相移角度為相角輸入的度數(shù)加上O、90°、180°和270°。另外，CC4046的10腳指示其參考信號(hào)與輸入信號(hào)是否鎖定，當(dāng)鎖定時(shí)，輸出為“1”，失鎖時(shí)，輸出 為“O”。單片機(jī)的工作頻率6M，定時(shí)器工作是四個(gè)機(jī)器周期作為一個(gè)計(jì)數(shù)單位，所以定時(shí)器的工作頻率為1. 5M，用這樣的頻率測(cè)量20KHz的信號(hào)顯然不夠，因?yàn)閷?duì)20KHz的信號(hào)，相位差所占的時(shí)間約為O. 14μ S，所以需要將高頻檢測(cè)信號(hào)的頻率降下來(lái)。另外相移電路的工作頻率也不可能太高，所以有必要在相移電路之前加上分頻電路，我們用減法計(jì)數(shù)器組成可編程分頻器，電路如圖7所示。4522是內(nèi)含減法計(jì)數(shù)器，RS觸發(fā)器的可預(yù)置BCD碼的六計(jì)數(shù)器，電路中Dl D4為預(yù)置數(shù)輸入端，一旦預(yù)置了分頻系數(shù)N，計(jì)數(shù)器就對(duì)輸入脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)到O狀態(tài)，第一級(jí)計(jì)數(shù)器的CO端變?yōu)楦唠娖?，又重新置?shù)，電路如此對(duì)輸入脈沖進(jìn)行N分頻。如圖8所示，采用8031CPU，具有兩個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，可以方便地進(jìn)行內(nèi)部定時(shí)和外部計(jì)數(shù)，若其引腳c/F=0時(shí)，則8031處于內(nèi)部計(jì)數(shù)狀態(tài)。此時(shí)，若設(shè)定TRO= I和GATE =1，則TO是否計(jì)數(shù)將由INTO的信號(hào)決定當(dāng)INTO由O變化到I時(shí)，則TO計(jì)數(shù)；當(dāng)INTO由I變化到O時(shí)停止計(jì)數(shù)。這樣，將正信號(hào)接在INTO上，就可方便地求出正的脈寬Tx。圖9是這種測(cè)試儀前面板圖，開(kāi)關(guān)71控制儀器的電源，數(shù)顯72顯示載流子壽命及控制功能信息，BNC接頭73是調(diào)制信號(hào)輸入接頭，BNC接頭74是光電導(dǎo)信號(hào)輸入接頭，鍵盤75包含復(fù)位、功能選擇及數(shù)字輸入等按鍵。
權(quán)利要求1.一種半導(dǎo)體材料少子壽命無(wú)接觸非破壞測(cè)試儀，其特征在于設(shè)有微波系統(tǒng)、固體激光器、信號(hào)發(fā)生器和相移檢測(cè)電路；微波系統(tǒng)設(shè)有壓控振蕩器、衰減器、諧振腔和檢波器，壓控振蕩器輸出端接衰減器輸入端，衰減器輸出端接諧振腔輸入端，在諧振腔端蓋上設(shè)有對(duì)稱的LC諧振式孔縫，諧振腔輸出端接檢波器輸入端，檢波器信號(hào)輸出端接相移檢測(cè)電路；固體激光器設(shè)于所述諧振腔下方，固體激光器的激光光路對(duì)準(zhǔn)所述LC諧振式孔縫； 信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端分別接固體激光器調(diào)制信號(hào)輸入端和相移檢測(cè)電路的信號(hào)輸入端;相移檢測(cè)電路設(shè)有調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路、光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路、矩形波生成電路、脈寬檢測(cè)電路和微處理器；調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路和光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路通過(guò)信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)分別連接，調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)有依次連接的微分電路、過(guò)零方波轉(zhuǎn)換電路、相移電路和分頻電路；光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)有依次連接的放大電路、微分電路、過(guò)零方波轉(zhuǎn)換電路、相移電路和分頻電路；放大電路的輸入端通過(guò)信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)分別與調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路和光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路連接；調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路的分頻電路輸出端接入矩形波生成電路輸入端，光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路的分頻電路的輸出端也接入矩形波生成電路輸入端，矩形波生成電路輸出端接脈寬檢測(cè)電路輸入端，脈寬檢測(cè)電路輸出端接微處理器讀取信號(hào)輸入端，微處理器控制信號(hào)輸出端分別接所述調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路中的相移電路和分頻電路的控制信號(hào)輸入端，微處理器控制信號(hào)輸出端分別接所述光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路中的放大電路、相移電路和分頻電路的控制信號(hào)輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體材料少子壽命無(wú)接觸非破壞測(cè)試儀，其特征在于所述檢波器采用晶體二極管檢波器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體材料少子壽命無(wú)接觸非破壞測(cè)試儀，其特征在于所述信號(hào)發(fā)生器采用通用信號(hào)發(fā)生器。
4.如權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體材料少子壽命無(wú)接觸非破壞測(cè)試儀，其特征在于所述脈寬檢測(cè)電路直接采用單片機(jī)中的定時(shí)器電路。
5.如權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體材料少子壽命無(wú)接觸非破壞測(cè)試儀，其特征在于所述相移檢測(cè)電路設(shè)有單獨(dú)的殼體，相移檢測(cè)電路安裝于殼體中，殼體的前面板設(shè)有電源開(kāi)關(guān)、數(shù)字顯示屏、調(diào)制信號(hào)輸入接頭、光電導(dǎo)信號(hào)輸入接頭及鍵盤；所述調(diào)制信號(hào)輸入接頭通過(guò)信號(hào)線接與所述信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端連接，該信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端輸出調(diào)制信號(hào)；所述光電導(dǎo)信號(hào)輸入接頭與所述檢波器的信號(hào)輸出端連接，該檢波器的信號(hào)輸出端輸出光電導(dǎo)信號(hào)；所述鍵盤包含復(fù)位、功能選擇及數(shù)字輸入按鍵。
專利摘要一種半導(dǎo)體材料少子壽命無(wú)接觸非破壞測(cè)試儀，涉及一種測(cè)試儀。提供一種靈敏度較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、操作方便的可實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體材料少數(shù)載流子壽命的無(wú)接觸無(wú)破壞測(cè)量的一種半導(dǎo)體材料少子壽命無(wú)接觸非破壞測(cè)試儀。設(shè)有微波系統(tǒng)、固體激光器、信號(hào)發(fā)生器和相移檢測(cè)電路；所述微波系統(tǒng)設(shè)有壓控振蕩器、衰減器、諧振腔和檢波器；所述固體激光器設(shè)于所述諧振腔下方；所述相移檢測(cè)電路設(shè)有調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路、光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路、矩形波生成電路、脈寬檢測(cè)電路和微處理器；所述調(diào)制信號(hào)檢測(cè)電路和光電導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)電路通過(guò)信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)分別連接，采用工作于高Q值低損耗模的諧振腔，具有無(wú)接觸、高靈敏度和易調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。
文檔編號(hào)G01N21/17GK202886265SQ20122062056
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者倪祖榮 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)