表面光电压谱仪的软件设计

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摘要：表面光电压法是表征半导体材料特性的一种重要方法。文中介绍了表面光电压谱测试系统的硬件结构，给出了利用VC++6．0进行编程来设计表面光电压谱测试系统软件，从而实现表面光电压谱信号的采集与显示的具体方法。最后给出了用该仪器对GaAs材料的表面光电压谱进行测试和分析的结果。
关键字：表面光电压谱；单色仪；锁相放大器

0 引言
    表面光电压是指当使用高于禁带宽度能量的光照射半导体材料时，电子从导带跃迁到价带而产生电子空穴对所形成的电压。一方面，常温下n型半导体的能带向上弯曲，形成内建电场，并在电场作用下，载流子发生漂移；另一方面，由于半导体表面的载流子浓度高于体内，载流子会发生扩散。载流子经过扩散和漂移，最终将形成电势差。从而产生表面光电压。

1 表面光电压谱仪的硬件结构
    表面光电压谱仪的硬件可由卤钨灯光源、斩波器、7ISW301单色仪、样品室、SR830锁相放大器和PC机组成。表面光电压谱仪的硬件结构如图1所示，图中，卤钨灯光源经过斩波器后，一方面可形成一定频率的脉冲光，另一方面，也可为锁相放大器提供参考频率。同时，PC机通过串口发送波长给单色仪，所形成的单色光照射在样品室中的样品上，就可形成微弱的表面光电压信号，然后经过锁相放大器的提取和放大，即可通过串口发送回PC机进行显示。





2 表面光电压谱仪的软件设计
    表面光电压谱测试系统的软件部分包括表面光电压数据采集模块、表面光电压谱显示模块、表面光电压数据处理模块等。图2所示是该系统的软件模块图。




    根据表面光电压谱测试系统的实际需要，本文采用VC++6．0进行编程。7ISW301单色仪和SR830锁相放大器可通过串口与PC机进行通信。
在三大模块中，表面光电压数据采集模块一般通过串口发送如采集数据，以实现表面光电压数据的采集，此模块分为单色仪数据的发送和采集、锁相放大器数据的发送和采集，可通过添加CserialPort类来实现单色仪和锁相放大器2个串口同时发送和采集数据；表面光电压谱显示模块可对所采集到的表面光电压进行曲线绘制，并在PC机界面进行显示；表面光电压数据处理模块则对采集到的表面光电压进行各种性能参数的拟合计算，以便分析半导体材料的性能，例如少子扩散长度、表面复合速率等。由于表面光电压数据采集模块是该测试系统的核心，因此，本文主要介绍这一部分内容。
                          
                       
                          
                               
2．1 单色仪控制模块
    7ISW301单色仪是三光栅单色仪，它利用光栅作为分光元件，以将入射的白光分解为单色光。由于它测试的光谱范围是200nm～2500nm，因此，在本软件设计中设定了Wmin和Wmax，以确保测试过程处在光谱范围之内。根据7ISW301单色仪三个光栅的光谱范围(1号光栅为200nm～
600nm；2号光栅为500nm～1500nm；3号光栅为830nm～2500nm)，本软件设计设定1号光栅的光谱范围为200nm～600nm；2号光栅的光谱范围为600nm～1200 nm；3号光栅的光谱范围为1200 nm～2500 nm。图3所示是单色仪波长控制模块的程序流程图。




    本软件一般先对单色仪的3个光栅进行参数查询，并保存3个光栅的参数，以保证单色仪的精确控制；然后设置起止波长和采样间隔波长，再通过判断起止波长是否在单色仪光谱范围内来确保测试的准确性；接着发送联络命令，实现单色仪的通信，并通过判断起始波长在几号光栅的光谱范围来确定光栅的切换，再利用步长(step)计算公式以及步长发送命令来实现单色仪波长的发送；最后通过循环操作实现单色仪的控制。
                          
                       
                          
                               
以下是部分程序代码：



2．2 锁相放大器数据处理模块
    由于表面光电压的信号非常微弱，而锁相放大器是以相干检测技术为基础，因此，可利用参考信号频率和输入信号频率相关、与噪声不相干的方式来提取有用信号。本文采用SR830锁相放大器，并通过斩波器来提供参考频率，以对微弱的表面光电压信号进行提取。图4所示是锁相放大器数据处理模块的软件流程图。




    本软件首先对锁相放大器进行参数设置，并设置外部参考信号方式、RS～232方式、交流、电压输入信号方式、自动获取增益、相位方式等；然后等待单色仪波长的发送；接着判断单色仪接收缓冲区的值是否为0，如果单色仪步长发送指令的返回值为0，则表示步长发送完毕；最后利用读取电压信号命令来进行电压的采集。
                          
                       
                          
                               
以下是其部分程序代码：







3 实验结果
    软件设计完成之后，即可进行表面光电压测试实验。本实验选用的材料是GaAs。由于GaAs材料的禁带宽度为1．42eV，通过理论公式计算可得出其截止波长为870nm，因此，实验过程中设置Wbegin=500nm，Wstop=1000nm。其实验结果如图5所示。




    从GaAs材料的表面光电压谱曲线可以看出：GaAs材料的光谱响应随着波长的增大而减小，并在起始波长500nm处达到峰值，而在870nm左右迅速下降至零，从而证明了GaAs材料的截止波长为870nm，可见通过表面光电压谱来对GaAs材料进行分析是可行的。

4 结束语
    本文依据表面光电压的产生原理，给出了表面光电压谱仪的硬件结构，并利用VC++6．0进行编程设计了表面光电压谱测试系统的软件，从而实现了表面光电压谱信号的采集与显示。最后应用该仪器对GaAs材料的表面光电压谱进行了测试分析。