表面光電壓譜儀的軟件設(shè)計

摘要：表面光電壓法是表征半導(dǎo)體材料特性的一種重要方法。文中介紹了表面光電壓譜測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，給出了利用VC++6．0進行編程來設(shè)計表面光電壓譜測試系統(tǒng)軟件，從而實現(xiàn)表面光電壓譜信號的采集與顯示的具體方法。最后給出了用該儀器對GaAs材料的表面光電壓譜進行測試和分析的結(jié)果。
關(guān)鍵字：表面光電壓譜；單色儀；鎖相放大器

0 引言
    表面光電壓是指當(dāng)使用高于禁帶寬度能量的光照射半導(dǎo)體材料時，電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶而產(chǎn)生電子空穴對所形成的電壓。一方面，常溫下n型半導(dǎo)體的能帶向上彎曲，形成內(nèi)建電場，并在電場作用下，載流子發(fā)生漂移；另一方面，由于半導(dǎo)體表面的載流子濃度高于體內(nèi)，載流子會發(fā)生擴散。載流子經(jīng)過擴散和漂移，最終將形成電勢差。從而產(chǎn)生表面光電壓。

1 表面光電壓譜儀的硬件結(jié)構(gòu)
    表面光電壓譜儀的硬件可由鹵鎢燈光源、斬波器、7ISW301單色儀、樣品室、SR830鎖相放大器和PC機組成。表面光電壓譜儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中，鹵鎢燈光源經(jīng)過斬波器后，一方面可形成一定頻率的脈沖光，另一方面，也可為鎖相放大器提供參考頻率。同時，PC機通過串口發(fā)送波長給單色儀，所形成的單色光照射在樣品室中的樣品上，就可形成微弱的表面光電壓信號，然后經(jīng)過鎖相放大器的提取和放大，即可通過串口發(fā)送回PC機進行顯示。

2 表面光電壓譜儀的軟件設(shè)計
    表面光電壓譜測試系統(tǒng)的軟件部分包括表面光電壓數(shù)據(jù)采集模塊、表面光電壓譜顯示模塊、表面光電壓數(shù)據(jù)處理模塊等。圖2所示是該系統(tǒng)的軟件模塊圖。

    根據(jù)表面光電壓譜測試系統(tǒng)的實際需要，本文采用VC++6．0進行編程。7ISW301單色儀和SR830鎖相放大器可通過串口與PC機進行通信。
在三大模塊中，表面光電壓數(shù)據(jù)采集模塊一般通過串口發(fā)送如采集數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)表面光電壓數(shù)據(jù)的采集，此模塊分為單色儀數(shù)據(jù)的發(fā)送和采集、鎖相放大器數(shù)據(jù)的發(fā)送和采集，可通過添加CserialPort類來實現(xiàn)單色儀和鎖相放大器2個串口同時發(fā)送和采集數(shù)據(jù)；表面光電壓譜顯示模塊可對所采集到的表面光電壓進行曲線繪制，并在PC機界面進行顯示；表面光電壓數(shù)據(jù)處理模塊則對采集到的表面光電壓進行各種性能參數(shù)的擬合計算，以便分析半導(dǎo)體材料的性能，例如少子擴散長度、表面復(fù)合速率等。由于表面光電壓數(shù)據(jù)采集模塊是該測試系統(tǒng)的核心，因此，本文主要介紹這一部分內(nèi)容。
2．1 單色儀控制模塊
    7ISW301單色儀是三光柵單色儀，它利用光柵作為分光元件，以將入射的白光分解為單色光。由于它測試的光譜范圍是200nm～2500nm，因此，在本軟件設(shè)計中設(shè)定了Wmin和Wmax，以確保測試過程處在光譜范圍之內(nèi)。根據(jù)7ISW301單色儀三個光柵的光譜范圍(1號光柵為200nm～
600nm；2號光柵為500nm～1500nm；3號光柵為830nm～2500nm)，本軟件設(shè)計設(shè)定1號光柵的光譜范圍為200nm～600nm；2號光柵的光譜范圍為600nm～1200 nm；3號光柵的光譜范圍為1200 nm～2500 nm。圖3所示是單色儀波長控制模塊的程序流程圖。

    本軟件一般先對單色儀的3個光柵進行參數(shù)查詢，并保存3個光柵的參數(shù)，以保證單色儀的精確控制；然后設(shè)置起止波長和采樣間隔波長，再通過判斷起止波長是否在單色儀光譜范圍內(nèi)來確保測試的準(zhǔn)確性；接著發(fā)送聯(lián)絡(luò)命令，實現(xiàn)單色儀的通信，并通過判斷起始波長在幾號光柵的光譜范圍來確定光柵的切換，再利用步長(step)計算公式以及步長發(fā)送命令來實現(xiàn)單色儀波長的發(fā)送；最后通過循環(huán)操作實現(xiàn)單色儀的控制。

以下是部分程序代碼：

2．2 鎖相放大器數(shù)據(jù)處理模塊
    由于表面光電壓的信號非常微弱，而鎖相放大器是以相干檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，因此，可利用參考信號頻率和輸入信號頻率相關(guān)、與噪聲不相干的方式來提取有用信號。本文采用SR830鎖相放大器，并通過斬波器來提供參考頻率，以對微弱的表面光電壓信號進行提取。圖4所示是鎖相放大器數(shù)據(jù)處理模塊的軟件流程圖。

    本軟件首先對鎖相放大器進行參數(shù)設(shè)置，并設(shè)置外部參考信號方式、RS～232方式、交流、電壓輸入信號方式、自動獲取增益、相位方式等；然后等待單色儀波長的發(fā)送；接著判斷單色儀接收緩沖區(qū)的值是否為0，如果單色儀步長發(fā)送指令的返回值為0，則表示步長發(fā)送完畢；最后利用讀取電壓信號命令來進行電壓的采集。

以下是其部分程序代碼：



3 實驗結(jié)果
    軟件設(shè)計完成之后，即可進行表面光電壓測試實驗。本實驗選用的材料是GaAs。由于GaAs材料的禁帶寬度為1．42eV，通過理論公式計算可得出其截止波長為870nm，因此，實驗過程中設(shè)置Wbegin=500nm，Wstop=1000nm。其實驗結(jié)果如圖5所示。

    從GaAs材料的表面光電壓譜曲線可以看出：GaAs材料的光譜響應(yīng)隨著波長的增大而減小，并在起始波長500nm處達(dá)到峰值，而在870nm左右迅速下降至零，從而證明了GaAs材料的截止波長為870nm，可見通過表面光電壓譜來對GaAs材料進行分析是可行的。

4 結(jié)束語
    本文依據(jù)表面光電壓的產(chǎn)生原理，給出了表面光電壓譜儀的硬件結(jié)構(gòu)，并利用VC++6．0進行編程設(shè)計了表面光電壓譜測試系統(tǒng)的軟件，從而實現(xiàn)了表面光電壓譜信號的采集與顯示。最后應(yīng)用該儀器對GaAs材料的表面光電壓譜進行了測試分析。