CN1365007A - 测量霍尔效应的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于利用霍尔效应测量半导体中的霍尔效应相关值如迁移率、载流子浓度和电阻率的装置和方法。样品装载到IC插座或类似的定标物,该目标固定到能够容纳注入的液氮的绝热材料容器的内部。利用一个移动元件测量霍尔效应相关值,该移动元件用于把一对永磁体移到绝热材料容器的外部。测量设备具有简单的结构,测量操作简单。根据由包含在霍尔电压测量单元中的恒定电流供给单元供给的恒定电流测量输入电压的电平。测量误差检测单元利用测得的输入电压的电平检测和显示样品的测量误差。因为在测量霍尔效应之前检测测量误差,所以可以排除该测量误差。

Description

测量霍尔效应的装置和方法

                           技术领域

本发明涉及一种用于测量霍尔效应的装置和方法，尤其涉及一种用于在向样品施加磁场的同时测量样品的霍尔效应的装置和方法，其中样品座(holder)设立在绝热材料做成的样品容器中，测量霍尔效应的霍尔器件固定到样品座，并且将配置有永磁体的永磁体支架(supporter)与样品座连接。另外，本发明还涉及一种用于通过简单地向样品容器中注入液氮而对设置在样品容器中极低的温度环境下的样品测量霍尔效应的装置和方法。

                           背景技术

一般地，霍尔器件是一种用于利用霍尔效应校准/检测或计算磁场或电流的器件。霍尔器件利用锗(Ge)、锑化铟(InSb)和砷化镓(GaAs)制成薄片的形式，上述这些材料具有较大的霍尔系数和较小的温度系数。

如果把一种导体或半导体放置在感应磁场中垂直于电流流动的方向上，则由于在垂直于电流和磁场的方向上产生的电位差(霍尔电压)而产生电流流动。这种现象被称作霍尔效应。由于磁场的存在，反映了导体或半导体中的载流子(电子或空穴)浓度，由此产生霍尔电压。

通常，为了用常规的测量装置测量霍尔器件中的霍尔效应，把样品设置在专门设计的真空容器或能够包含液氮的冰箱中，并且还采用大尺度的电磁铁。

然而，常规的测量装置具有下列缺点。

首先，因为需要专门设计的真空容器或冰箱以及大尺寸的电磁铁，所以设备的投资成本非常高。

其次，因为包含在装置中的元件尺寸很大，所以执行测量的过程非常困难和复杂。

第三，因为利用一个探头给样品施加恒定电流并再测量霍尔电压，所以装置的尺寸变大。另外，难以在不同的设备中使用同样的样品和执行连续的测量，导致测量时间的增加。

                           发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种用于测量霍尔效应的装置和方法，该装置和方法能够通过提供简单结构的装置而显著地降低设备的投资成本。

本发明的另一目的在于提供一种用于测量霍尔效应的装置和方法，该装置和方法能够以简单易行的方式测量样品的霍尔效应。

本发明的另一目的在于提供一种用于测量霍尔效应的装置和方法，该装置和方法能够连续地测量多个样品的霍尔效应。

根据本发明的一个方面，提供一种测量霍尔效应的装置。该装置包括：将样品设置其上的样品座；配置有样品座的样品容器；永磁体支架，在该支架中彼此面对地设立一对永磁体，永磁体支架可接可拆地连接到样品容器，使得样品定位于一对永磁体之间；和霍尔电压测量装置，用于向样品施加电流并测量从样品输出的霍尔电压。

最好样品容器具有一个用于供给热交换材料的热交换材料供应孔。

另外，样品座是一个能够安置多个样品的IC插座。

作为一个实例，样品容器包括：一个顶壳，样品座安装其上；和一个与顶壳连接的底壳。此处，底壳的下表面一部分由基座支承。基座有一对从基座的一端延伸并位于底壳下表面其余部分以下的导轨。导轨导引永磁体支架的移动。

永磁体支架包括：一对固定部件，一对永磁体到固定其上；和一个连接到固定部件并同时保持固定部件之间恒定间隙的连接部件。

底壳包括一种形成在其内表面上的绝热材料。

或者，样品容器包括：一个顶盖，样品座安置其上，并且热交换材料供应孔形成其中；一个具有用于容纳热交换材料的收容空间的热交换材料容器；一对设立在热交换材料容器两侧的导板；和一个用于支承热交换材料容器和一对导板的基座。

在上述装置中，永磁体支架在基座上移动，将热交换材料容器密闭在一对导板之内。

热交换材料容器由绝热材料组成。

样品容器可以选择性地包括一个横断收容空间并与收容空间底表面相隔预定距离地形成的阻挡肋片。

另外，样品容器可以包括一种插在收容空间内部的U形绝热材料，U形绝热材料有一端与热交换材料供应孔连通，另一端上放置样品。

或者，霍尔电压测量装置包括：恒定电流供给单元，用于向样品的多个端子中选取的两个端子供给恒定电流，并改变恒定电流的电平；霍尔电压检测单元，用于检测从样品的两个未选取端中输出的霍尔电压并输出所检测的霍尔电压；切换单元，用于根据用户的手动操作向两个选取端施加恒定电流供给单元的输出电流，并向霍尔电压检测单元输出两个未选取端的霍尔电压；电流检测单元，用于检测恒定电流供给单元输出给样品的恒定电流的电平；输入电压检测单元，用于根据恒定电压供给单元输出到样品的恒定电流检测样品的输入电压。

最好上述装置还包括测量误差检测单元，用于根据恒定电流供给单元输出给样品的恒定电流，利用样品的输入电压电平检测样品的测量误差。

测量误差检测单元包括：电压检测单元，用于根据恒定电流供给单元输出到样品的恒定电流，检测样品的输入电压电平；和比较器，用于将电压检测单元的输出电压与预定的参考电压相比，并判断是否有测量误差。

最好霍尔电压测量装置包括：多个模拟-数字转换器，用于把霍尔电压检测单元、输入电压检测单元和电流检测单元的输出信号转换成数字信号；微处理器，用于控制切换单元的切换操作，利用从电流检测单元输出并被模拟-数字转换器转换的数字信号，确定恒定电流供给单元的输出电流，调节设置的输出的恒定电流，控制恒定电流的极性，并利用从霍尔电压检测单元和输入电压检测单元输出并被模拟-数字转换单元转换的数字信号计算霍尔效应相关值，并显示算出的霍尔效应相关值；键盘输入单元，用于根据用户的手工操作向微处理器输入操作指令；显示单元，用于根据微处理器的控制显示霍尔效应的计算值。

另外，霍尔电压测量装置包括：个人计算机，用于通过控制微处理器设置恒定电流，测量霍尔电压和输入电压，并通过输入测得的霍尔电压和输入电压计算霍尔效应相关值；和接口单元，设置在微处理器和个人计算机之间，用于在二者之间交接数据。

根据本发明的另一方面，提供一种用于测量霍尔效应的方法，包括步骤：a)输入施加给样品的恒定电流、磁通量密度和样品的厚度；b)调节输入给样品的恒定电流的电平；c)把样品的四个端子顺序地设置为两个输入端和两个输出端，并测量从样品输出的霍尔电压和样品的输入电压，同时调节恒定电流的极性；d)把永磁体支架正向插入，依次设置为样品的输入端和输出端，并测量从样品输出的霍尔电压和样品的输入电压，同时调节恒定电流的极性；e)把永磁体支架反向插入，顺序设置样品的输入端和输出端，并测量从样品输出的霍尔电压和样品的输入电压，同时调节恒定电流的极性；和f)把在步骤c)～e)测得的值带入一预定方程，并计算和显示有关霍尔效应的值。

最好本方法还包括步骤g)，用于根据用户的手工操作修改磁通量密度和样品的厚度，并且如果输入计算开始的命令，则再利用修改的磁通量密度、修改的样品厚度和测得的值再次计算有关霍尔效应的值，并显示算出的有关霍尔效应的值。

另外，如果用户设置手工模式，则可以计算施加到样品的恒定电流、磁通量密度和样品的厚度，霍尔电压和输入样品的电压、霍尔效应的有关值，并显示算出的霍尔效应相关值。

                           附图说明

通过下面参考附图对优选实施例的详细描述，本发明的上述目的和其它优点将变得更加清晰，其中：

图1是表示根据本发明实施例用于测量霍尔效应的装置的透视图；

图2是表示根据本发明的实施例测量霍尔效应的装置中样品容器和永磁体支架的透视图；

图3A和3B是解释根据本发明的实施例测量霍尔效应的装置中永磁体支架的操作的侧视图；

图4是表示根据本发明的另一实施例用于测量霍尔效应的装置的透视图；

图5是表示根据本发明的另一实施例测量霍尔效应的装置中样品容器和永磁体支架的分解的透视图；

图6A-6D是解释根据本发明的实施例测量霍尔效应的装置中永磁体支架的操作的平面图；

图7A-7C是表示根据本发明的另一实施例测量霍尔效应的装置中热交换材料容器的各种实例的截面图；

图8是表示根据本发明应用于测量霍尔效应的装置的霍尔电压测量单元的优选实施例的电路图；

图9是图8中所示切换单元的电路图；

图10是表示根据本发明应用于测量霍尔效应的装置的霍尔电压测量单元的另一优选实施例的电路图；

图11A-11C是表示根据本发明用于测量霍尔效应的方法，如图10中所示微处理器操作的信号流程；和

图12是根据本发明的霍尔电压测量单元另一优选实施例的电路图。

                      具体实施方式

下面将参照附图对本发明的优选实施例进行描述。

图1是表示根据本发明实施例用于测量霍尔效应的装置的透视图。

此处，标号1表示用于测量霍尔效应的装置的主体。在主体1前表面的上部设立输入电压显示器2、输入电流显示器3和霍尔电压显示器4。输入电压显示器2显示测得的输入电压值，而该测得值是根据供给样品的恒定电流而被施加给样品的输入端。输入电流显示器3显示供给样品的恒定电流的测得值。霍尔电压显示器4显示根据施加到样品的恒定电流而在样品中感生的霍尔电压的测量值。

在主体1前表面的下部安置一个电源开关5、发光二极管6、电流调节旋钮7、多个开关控制旋钮8、启动/停止钮9、抽头选择钮10和电流方向开关11。发光二极管6用于指示测量误差。电流调节旋钮7用于调节施加到样品上的恒定电流的电平。用多个开关控制旋钮8设置样品的输入端和输出端。电源开关5接通时检查电源及状态之后，用启动/停止钮9启动或复位霍尔效应的测量。用抽头选择钮10检查在各个步骤时的样品的电阻和霍尔电压。用电流方向开关11根据反向和正向电流检查空穴浓度和移动性。

参见图1和图2，样品容器40包括顶壳41和与顶壳41连接的底壳42。如图2所示，样品容器40有一个设立在顶壳41内表面的样品座，即IC插座20。把需测量霍尔效应的多个样品S装载到IC插座20中。IC插座20固定在印刷电路板(未示出)上并与主体1经印刷电路板和连接导线30电连接。

最好热交换材料供给孔43形成位置与顶壳41中IC插座20的设立位置隔开。热交换材料供给孔43用于把热交换材料、即液氮供应到样品容器40的内部。在底壳42的内壁设立一个隔热元件44，如泡沫聚苯乙烯，用于注入的液氮的隔热。

样品容器40的底壳42由沿其长度方向为底壳42的一半的基座50支承。一对导轨51和52从基座50延伸，它们每个的长度对应于底壳42的另一半。

为了对待测的目标物即样品S产生磁场，本发明的装置包括一个永磁体支架60，并且一对永磁体M1和M2分别设立在永磁体支架60的上部和下部。最好永磁体M1和M2的直径处于最大可测直径即25mm之内。

永磁体支架60包括上下维持部分61和62，用于维持一对永磁体M1和M2，还包括一个连接部分63，用于将上下维持部分61和62彼此相隔地连接。

磁体支架64和65分别设立在彼此面对的上下维持部分61和62中，永磁体M1和M2连接到磁体支架64和65的表面。在上下维持部分61和62的两外侧边缘沿上下维持部分61和62的长度方向形成导槽61A和62A，使得导轨51和52插入其中。在连接部分63的外表面中设立旋钮66。

此时，把永磁体M1和M2配置成彼此极性相反。例如，如果永磁体M1的下表面是N极，则永磁体M2的上表面是S极。

以下将描述根据本发明实施例对测量霍尔效应的装置中测量样品S的霍尔效应的操作。

首先，参照图3A和3B描述将样品设置在可测状态的操作。

参见图3A，把至少一个样品S装载到IC插座20中，旋转顶壳41并将其与底壳衔接。此时，一旦顶壳41与底壳42衔接，即避免了外部光线入射到样品。

接下来，如果把永磁体支架60移向样品容器40，则下维持部分62的导槽62A被导向基座50的导轨51和52，并且因此永磁体支架60移向样品容器40。

参见图3B，如果永磁体支架60完全移动，则永磁体M1和M2在装载到顶壳41中的样品S的中心彼此面对。因此，通过一对永磁体M1和M2在整个样品中均匀地形成磁通量密度。

因而，在把样品S设置在磁场区并接通电源开关之后，开始测量操作。此时，如果样品S的接触电阻较高，则用于指示测量有误的发光二极管6接通。因此，可以精确地装载样品S并将接触电阻保持在允许值以下。下面将描述发光二极管6的接通操作。

如果发光二极管6不接通，则它表示样品S的接触电阻低于允许的接触电阻值。测量操作按照下列顺序执行。

首先，调节电流调节旋钮7，同时检查输入电流显示器3，使得把预定电平的恒定电流精确地施加到样品。

其次，通过选择性地操作多个开关控制旋钮8设置样品S的输入端和输出端。

第三，通过输入电压显示器2检查根据施加的恒定电流施加到样品S输入端的电压，并且通过霍尔电压显示器4检查样品S中感应的霍尔电压。

在检查样品S的输入电压和霍尔电压之后，通过重复第二和第三步骤可变地设置样品的输入端和输出端。然后测量输入电压和霍尔电压，这两种电压根据可变设置的输入端和输出端不同地感应。

上述霍尔效应的测量在大约300K的室温下进行。在例如约低于77°K的极低温度的环境下测量霍尔器件的特性的情况下，顶壳41与底壳42连接，并且液氮经热交换材料供应孔43注入到样品容器40中。然后，当样品容器40的内壁温度降到极低温度之后，根据上述步骤进行测量。液氮例如可以经漏斗注入。由于注入过度而溢出的液氮将迅速地蒸发到空气中。

另外，如果用户想在不施加磁场的条件下执行测量操作，则在把永磁体支架60抽出基座50的导轨51和52之后进行测量。

另外，在移动永磁体支架60并执行测量操作之后，永磁体支架60旋转180°。通过这样，永磁体M1和M2的位置得以改变，致使永磁体的极性从N极变到S极，反之亦然。因而可以通过极性改变效应可精确地测量霍尔系数。

同时，以上的描述表示在暗态下测量霍尔电压的变化的步骤。在亮态下测量霍尔电压的变化的情形中，当暂时打开顶壳41将样品S暴露于外部光之后，顶壳41与底壳42连接，之后，执行测量操作，由此获得与在亮态下测得的数据一致的数据。

下面将参照图4和图5描述样品容器和永磁体支架的另一实施例。

在把一个或多个样品S装载到陶瓷封装的状态下，将样品S设置到样品座的IC插座20。IC插座20与电连接到主体10的印刷电路板P电连接，IC插座20安装在顶盖70的内表面中心。

导体连接线30连接到顶盖70的外表面，把手71安置在其中心。在顶盖70的预定部位钻一个热交换材料供应孔72。

热交换材料容器90固定地形成在基座80的上表面部分，用于支持顶盖70的导板100安置在基座80的两边缘。另外，可运动地设立永磁体支架110，使得其滑动到导板100的内侧。

热交换材料容器90中有一个收容空间91。收容空间91有一定的深度，以致于样品S沉浸在用作热交换材料的液氮中。

导板100由左导板部分101和右导板部分102组成。

永磁体支架110包括左右夹持部分111和112以及用于将左夹持部分111和右夹持部分112在彼此隔开的状态下相连接的连接部分113。连接部分113有一个把手114，并且安装在左右夹持部分111和112面对的位置处的永磁体M1和M2设置在对应于热交换材料容器90的收容空间91中样品S位置的高度。

下面将参考图6A～6D对把永磁体支架移动到样品位置的操作进行描述。

图6A表示在不给样品S施加磁场的情况下霍尔器件的测量操作。如果施加如图6B所示的磁场，适当地移动永磁体支架110，直到连接部分113设置在热交换材料容器90的端部。然后，在设立于左右夹持部分的一对永磁体M1和M2分别位于样品S的左右部分的状态下，对样品S施加均匀的磁通量，例如0.3T(特斯拉)。最好把一对永磁体M1和M2定位成与样品S面对处在25mm之内的状态。

如图6C和6D所示，如果永磁体支架110从右向左移动，则会导致一对永磁体M1和M2的极性变化。

图7A-7C是表示根据本发明的另一实施例热交换材料容器的各种改型的实例截面图。

具体地说，图7A表示在热交换材料容器90中形成矩形收容空间91的状态。如果打开上盖70，则由于液氮经热交换材料供应孔72注入，温度降到极低。

图7B表示热交换材料容器90的一个修改例。参见图7B，在收容空间91的中心形成一个阻挡肋片92，阻挡肋片92的下表面与收容空间91的下表面隔开预定的距离。在此热交换材料容器中，样品S安置在阻挡肋片92的一侧，液氮经另一侧供给。因此，样品的温度不会立即变得极低，而是液氮的电平从收容空间91的下表面逐渐上升。因而，因为样品S不是直接与液氮接触，可以避免急剧的热偏移冲击作用在样品上。

图7C表示设立在收容空间91中的U形绝热材料93。在此结构中，与图7b的改型例类似，样品S不是直接与液氮接触，而是在预定的时间延迟之后与液氮接触。因此，可以避免测量值中由短时间内样品的热交换之后的热冲击导致出现误差问题。另外，可以通过绝热材料93避免向外发射热量。

图8是表示根据本发明应用于测量霍尔效应的装置中霍尔电压测量单元的优选实施例的电路图。

参见图8，本发明包括恒定电流供给单元200，霍尔电压检测单元210，输入/输出端切换单元220，电流检测单元230，输入电压检测单元240和测量误差检测单元250。

恒定电流供给单元200向样品S的端子A、B、C和D中的两个选定端子供给恒定电流，并使得其能改变恒定电流的电平。霍尔电压检测单元210检测从两个未选取端输出的霍尔电压并输出所检测的霍尔电压。输入/输出端切换单元220根据用户的手动操作把恒定电流供给单元200的输出电流施加到选定的两个端子，并执行切换操作，把两个未选取端的霍尔电压输出给霍尔电压检测单元210。电流检测单元230检测恒定电流供给单元200输出给样品的恒定电流的电平。输入电压检测单元240根据恒定电流供给单元200输出给样品S的恒定电流，检测样品S的施加电压。测量误差检测单元250利用样品S的施加电压，根据恒定电流供给单元200输出给样品S的恒定电流检测样品S的测量误差。

恒定电流供给单元200包括恒定电流电流201和极性切换单元202。恒定电流电流201输出恒定电流并能够改变恒定电流的电平。极性切换单元202切换恒定电流电路201输出电流的极性，把经极性切换的输出电流经输入/输出端切换单元220输出给样品S的两个选取端。

霍尔电压检测单元210包括电压检测单元211，缓冲器212和校正/放大单元213。电压检测单元211检测霍尔电压，该电压从样品S的两个选取端经输入/输出端切换单元220输出。缓冲器212放大电压检测单元211的输出电压。校正/放大单元213校正并放大缓冲器212的输出电压，并输出经校正和放大的输出电压。

输入/输出端切换单元220包括一个切换单元221和一个继电器线圈驱动单元222。如图9所示，继电器线圈驱动单元222还包括按照用户手动操作多个开关控制旋钮8、和根据开关SW1-SW5的连接驱动的继电器线圈RY1-RY5而连接的开关SW1-SW5。切换单元221包括多个触点(RY11a-RY14a，RY11b-RY14b)(RY21a-RY24a，RY21b-RY24b)(RY31a，RY32a，RY31b，RY32b)(RY41a，RY42b，RY41b，RY42b)(RY51a，RY52a，RY51b，RY52b)，它们根据继电器线圈RY1-RY5的驱动而被切换，并且样品S的端子A、B、C和D选择性地连接到输入端IN1和IN2和输出端OUT1和OUT2。

在继电器线圈RY1-RY5的多个触点(RY11a-RY14a，RY11b-RY14b)(RY21a-RY24a，RY21b-RY24b)(RY31a，RY32a，RY31b，RY32b)(RY41a，RY42b，RY41b，RY42b)(RY51a，RY52a，RY51b，RY52b)中，当继电器线圈RY1-RY5被驱动时，触点‘a’(RY11a-RY14a)(RY21a-RY24a)(RY31a，RY32a)(RY41a，RY42a)(RY51a，RY52a)连接，并且当继电器线圈RY1-RY5不被驱动时，触点‘b’(RY11b-RY14b)(RY21b-RY24b)(RY31b，RY32b)(RY41b，RY42b)(RY51b，RY52b)连接。

输入电压检测单元240还包括缓冲器214和242，用于根据恒定电路供给单元200的输出电流依次放大和输出样品S的施加电压。

测量误差检测单元250还包括用于检测缓冲器241输出电压电平的电压检测单元251，用于判定电压检测单元251的输出电压与预定的参考电压相比较的测量误差的比较器252。

在根据本发明的霍尔电压测量单元在电源B+接通的状态下测量样品S的霍尔电压的情况下，用户利用电流调节旋钮7改变可变电阻VR，由此精确地调节恒定电流电路201输出的恒定电流。然后，极性转换单元202转换恒定电流电路201输出的恒定电流的极性，并且把经极性转换的恒定电流输出给输入端IN1和IN2。

在这种状态下，如果所有的开关SW1-SW5不连接，则继电器线圈RY1-RY5不被驱动。因此，触点(RY11a-RY14a)(RY21a-RY24a)(RY31a，RY32a)(RY41a，RY42a)(RY51a，RY52a)不连接，触点(RY11b-RY14b)(RY21b-RY24b)(RY31b，RY32b)(RY41b，RY42b)(RY51b，RY52b)连接。

此时，如果假设把正(+)恒定电流从极性转换单元202输出给输入端IN1，并且把负(-)恒定电流输出给输入端IN2，则输入端IN1的正(+)恒定电流经触点(RY31b，RY21b，RY11b)依次提供给样品S的端子A，并且输入端IN2的负(-)恒定电流依次经触点(RY41b，RY32b，RY22b，RY12b)供给样品S的端子B。即正(+)和负(-)恒定电流分别提供给样品S的输入端A和B。

然后，样品S将霍尔电压输出给端子C和D，该电压根据施加的恒定电流具有预定的电平。

此时，根据永磁体支架210的移动施加到样品S的磁场和由注入液氮受到的温度变化而产生的样品S的霍尔电压不同。

输出到样品S的端子C的霍尔电压经触点(RY14b，RY24b，RY52b)依次输出到输出端OUT1，并且输出到样品S的端子D的霍尔电压经触点(RY13b，RY23b，RY51b，RY42b)依次输出到输出端OUT2。

输出到输出端OUT1和OUT2的霍尔电压被输入到霍尔电压检测单元210，霍尔电压检测单元210经电压检测单元211检测输入的霍尔电压。然后，经检测的霍尔电压经缓冲器212放大并输入到校正/放大单元213之后，校正/放大单元213校正并放大输入的霍尔电压，并输出经校正和放大的霍尔电压。

此时，包含在输入电压检测单元240中的缓冲器241检测端子A和B的输入电压，该输入电压相关于从恒定电流供给单元200输出并经输入/输出端转换单元220施加到样品S的恒定电流；然后把所检测的输入电压经缓冲器242输出。

另外，在测量误差检测单元250中，电压检测单元251检测由缓冲器241所检测的输入电压的电平，并且比较器252通过将所检测的输入电压与预定的参考电压比较，判断样品S的测量误差。另外，发光二极管6接收测量误差信号，指示是否存在测量误差。

在样品S安置在IC插座20的情况下，例如，如果接触电阻值由于安装疏忽等而过高，则不能精确地测量样品S的霍尔电压。因此，在本发明中，测得样品S的输入电压之后，当探得的输入电压高于预定的参考电压时确定测量误差，并且通过接通发光二极管6指出测量误差的发生。

如果完成了对从样品S的端子C和D输出的霍尔电压的测量，同时施加预定电平的恒定电流给端子A和B，则极性转换单元202改变恒定电流的极性，并且检测经端子C和D输出的霍尔电压。

接下来，通过开关SW1-SW5选择驱动继电器线圈RY1-RY5，并且把样品S的端子(A，C)(A，D)(B，C)(B，D)(C，D)依次设置为输入端。另外，端子(B，D)(B，C)(A，D)(A，C)(A，B)设置为输出端子。然后，利用上述方法测量霍尔电压。

表1表示根据继电器线圈RY1^-RY5的选择驱动设置为输入端和输出端的样品S的端子A、B、C和D。

                              [表1]

RY1	RY1	RY3	RY4	RY5	输入端	输出端
							停止	停止	停止	停止	停止	A，B	C，D
停止	停止	驱动	停止	驱动	B，C	A，D
							停止	停止	停止	驱动	驱动	A，C	B，D
停止	驱动	停止	停止	停止	C，D	A，B
							停止	驱动	驱动	停止	驱动	A，D	B，C
驱动	驱动	停止	驱动	驱动	B，D	A，C

在把恒定电流施加到样品S的端子A，B，C和D中的两个选定输入端子的同时，测量从未选取的两个端子输出的霍尔电压，并且根据恒定电流测量供给到样品S的恒定电流和样品S的输入电压。利用测得的值，可以计算关于样品S的各种数据，如霍尔系数和霍尔迁移率。

在计算霍尔系数和霍尔迁移率的情况下，例如，在没有施加磁场并且把恒定电流I_AC提供给样品S的端子A和C的条件下，利用下列方程计算经端子B和D输出的霍尔电压V_BD与恒定电流I_AC的比：

R_AC，BD＝|V_BD|/I_AC          (方程1)

接下来，施加垂直于样品S的磁场，并且测量经样品S的端子B和D输出的霍尔电压Vf_BD，由此利用下列方程计算霍尔电压Vf_BD与恒定电流I_AC比：

Rf_AC，BD＝|Vf_BD|/I_AC        (方程2)

其中，如果ΔR_AC，BD＝Rf_AC，BD-R_AC，BD，如下计算霍尔系数：

R_H＝(d/|b|ρ)ΔR_AC，BD       (方程3)

其中，d表示薄膜的厚度，ρ表示电阻率。

霍尔迁移率μ_H计算如下：

μ_H＝R_H/ρ＝(d/|B|ρ)ΔR_AC，BD     (方程4)

此处，B表示磁通密度。

图10是表示根据本发明用于自动测量和计算在测量霍尔效应的装置中霍尔系数和霍尔迁移率的另一实施例的电路图。如图所示，霍尔电压测量单元的另一实施例包括模拟开关ASW1-ASW5，这些开关与开关SW1-SW5并联，并且响应于控制信号而切换。

霍尔电压测量单元还包括模拟-数字转换器300、310和320，微处理器330，数字-模拟转换器340，键盘输入单元350和显示单元360。

模拟-数字转换器300、310和320分别把校正/放大单元213、缓冲器242、电流检测单元230的输出信号转换成数字信号。微处理器330控制模拟开关ASW1-ASW5的操作，检查模拟-数字转换器300、310和320的输出信号，使由恒定电流电流201设置的恒定电流精确地流过，控制极性转换单元202的极性转换，并利用模拟-数字转换器300和320控制霍尔系数和霍尔迁移率的计算和显示。数字-模拟转换器340把从微处理器输出的恒定电流控制信号转换成模拟信号，并把模拟信号施加给包含在恒定电流供给单元200中的恒定电流电路201。键盘输入单元350根据用户的手动操作把操作指令输入给微处理器330。显示单元360根据微处理器330的控制显示算出的霍尔效应的值。

图11A-11C是表示如图10中所示霍尔电压测量单元操作的信号流程。

参见图11A～11C，在步骤400和402，通过电源开关5接通电源的情况下，微处理器330检查电源的接通并执行初始操作。

在步骤404，用户手动操作键盘输入单元350，并检查霍尔效应的测量是设置在自动模式还是设置在手动模式。在步骤406，如果把霍尔效应的测量设置为自动模式，则通过键盘输入单元350输入施加到样品S的恒定电流、由永磁体M1和M2而在样品S中感应的磁通量密度以及样品S的厚度。

在步骤408和410，如果用户命令开始测量，则恒定电流电路201在微处理器330的控制下精确地产生预定的恒定电流。即微处理器330输出恒定电流信号，并且数字-模拟转换器340把恒定电流控制信号转换成模拟信号。模拟信号施加给恒定电流电路201。然后，恒定电流电路201产生其电平受恒定电流控制信号控制的恒定电流。另外，从恒定电流电路201输出的恒定电流经电流检测单元230和模拟-数字转换器320输入给微处理器330。在检查从模拟-数字转换器320输出的信号的恒定电流电平的同时，微处理器330可变地输出恒定电流控制信号给恒定电流电路201，使得恒定电路电路201精确地输出预定的恒定电流。

在步骤412，微处理器330控制包含在输入/输出端转换单元220的继电器线圈驱动单元222中的模拟开关ASW1-ASW5，以便选择性地驱动继电器线圈RY1-RY5。因此，样品S的输入端IN1和IN2选择性地与它的输出端OUT1和OUT2连接。例如，样品S的端子A和B连接到输入端IN1和IN2，端子C和D连接到输出端OUT1和OUT2。

在步骤414，通过控制极性转换单元202调节恒定电流的极性。

在步骤416，极性由极性转换单元202转换的恒定电流供应给样品S的输入端A和B，根据供给的恒定电流，经端子C和D输出的霍尔电压输出给输出端OUT1和OUT2。输出的霍尔电压经霍尔电压检测单元210和模拟-数字转换器300输入给微处理器330。然后，微处理器330测量霍尔电压。

在步骤418，检查是否完成了霍尔电压的测量。如果没有完成霍尔电压的测量，则返回到步骤412，使得样品S的端子A，B，C和D被选择性地设置为输入端和输出端。然后，在转换恒定电流的极性，同时重复霍尔电压的测量。

即，在步骤412，414，416和418，把端子(A，B)(A，C)(A，D)(B，C)(B，D)(C，D)设置为输入端，并根据输入端的设置把端子(C，D)(B，D)(B，C)(A，D)(A，C)(A，B)设置为输出端。然后，通过控制极性转换单元202调节恒定电流的极性，并执行对从样品S输出的十二个霍尔电压进行测量。

以上的测量是在不形成磁场的条件下进行。在步骤420，如果在步骤S418检查霍尔电压的测量完成，微处理器330控制显示单元360以显示信息“将永磁体支架110正向插入到样品容器40中”。

在步骤422，当用户把永磁体支架110正向插入到样品容器40中之后，用户命令开始测量。在步骤424～430，微处理器330设置样品S的输入端和输出端，并在调节恒定电流的极性的同时，测量霍尔电压。

在步骤424～430，在永磁体支架110插入到样品容器40的状态下测量霍尔电压。在步骤432，如果检查在步骤430完成了霍尔电压的测量，则显示单元360显示消息“把永磁体支架110插入到样品容器40中的反方向”。

在步骤434，用户把永磁体支架110反向插入到样品容器40中，并命令开始测量之后，微处理器330再次设置样品S的输入端和输出端，并在调节恒定电流的极性的同时，测量霍尔电压。

分别在1)不插入永磁体支架110，2)把永磁体支架110正向插入到样品容器40中，和3)把永磁体支架110反向插入到样品容器40中的下状态完成霍尔电压的测量操作。之后，在步骤444，通过把储存的总测量值、输入的恒定电流、磁通量密度和样品S的厚度带入预定的方程，微处理器330计算霍尔系数和如空穴迁移率的霍尔效应相关值，并显示与算出霍尔效应相关值。

在步骤446，用户修改磁通量密度和样品的厚度。然后，在步骤448和450，如果用户命令开始测量，则微处理器330再以利用修改的磁通量密度和修改的样品S的厚度，计算霍尔效应相关值，并显示霍尔效应相关值。

同时，在步骤452，如果把霍尔效应的测量设置为在步骤404的手动模式，则输入测得的恒定电流值、磁通量密度和样品厚度以及测得的霍尔电压。在步骤454和456，如果用户命令开始测量，则利用输入值计算霍尔效应相关值，并显示所算出的霍尔效应相关值。

图12是根据本发明的霍尔电压测量单元另一优选实施例的电路图。

参见图12，根据本发明另一实施例的霍尔电压测量单元包括个人计算机370和接口单元380。个人计算机370控制微处理器330设置恒定电流，测量霍尔电压和输入电压，并通过所测量的霍尔电压和输入电压，计算霍尔效应相关值。接口单元380设置在微处理器330和个人计算机370之间并交接数据。

在具有此种结构的另一实施例中，通过手动操作个人计算机370，用户命令微处理器330测量霍尔电压和输入电压。然后，个人计算机370经接口单元380接收测得的值并计算霍尔效应相关值。

如上所述，在用于根据本发明测量霍尔效应的装置中，把用作热交换材料的液氮注入到小尺寸的隔热容器中，并且把小尺寸的永磁体用作对样品形成磁场的磁体。因此，可以利用一种简单结构测量霍尔电压，并且可以显著地减少投资成本。

另外，注入液氮的过程简单，易于把永磁体移动到其上安置样品的隔热容器，由此简化了总的测量操作。

另外，因为样品和霍尔电压测量单元利用能够至少安置一个样品的IC插座电连接，所以可以连续地测量多个样品。用于安置样品的样品座不限于IC插座，而是各种类型的测量用定标物都可以应用到其上。

同时，因为本发明的霍尔电压测量单元包括测量误差检测单元，该单元根据从恒定电流供给单元输出到样品的恒定电流，利用输入电压的电平检测测量误差，所以在测量霍尔电压之前检测测量误差，由此排除测量误差。

用户可以根据他/她的方便按自动模式或手动模式测量霍尔效应。

虽然以上对本发明做了详细的描述，但应该理解，在不脱离所附权利要的实质和范围的前提下可以做各种改变、替换和变更。

Claims (19)

1.一种测量霍尔效应的装置，包括：

将样品设置在其上的样品座；

配置有样品座的样品容器；

永磁体支架，在该支架中彼此面对地设立一对永磁体，永磁体支架与样品容器可接可拆地连接到样品容器，使得样品定位于一对永磁体之间；和

霍尔电压测量装置，用于向样品施加电流并测量从样品输出的霍尔电压。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，样品容器有一个用于供给热交换材料的热交换材料供应孔。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，样品座包括一个能够安置多个样品的IC插座。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，样品容器包括：

一个顶壳，样品座安装在其上；和

一个与顶壳连接的底壳，

其中，底壳下表面的一部分由基座支承，基座有一对从基座的一端延伸并位于底壳下表面其余部分以下的导轨，该导轨用于导引永磁体支架的移动。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，永磁体支架包括：

一对固定部件，一对永磁体固定到其上；和

一个连接到固定部件并同时保持固定部件之间恒定间隙的连接部件。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，底壳包括一种形成在其内表面上的绝热材料。

7.如权利要求1所述的装置，样品容器包括：

一个顶盖，样品座安置在其上，并且热交换材料供应孔形成在其中；

一个具有用于容纳热交换材料的收容空间的热交换材料容器；

一对设立在热交换材料容器两侧的导板；和

一个用于支承热交换材料容器和一对导板的基座。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，永磁体支架在基座上移动，以便将热交换材料容器密闭在一对导板之内。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，热交换材料容器由绝热材料组成。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，样品容器包括一个阻挡肋片，其形成与横断收容空间该并与收容空间的底表面相隔预定距离。

11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，样品容器包括一种插在收容空间内部的U形绝热材料，U形绝热材料有一端与热交换材料供应孔连通，另一端上放置样品。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，霍尔电压测量装置包括：

恒定电流供给单元，用于向样品的多个端子中选取的两个端子供给恒定电流，并改变恒定电流的电平；

霍尔电压检测单元，用于检测从样品的两个未选取端中输出的霍尔电压并输出所检测的霍尔电压；

切换单元，用于根据用户的手动操作向两个选取端施加恒定电流供给单元的输出电流，并向霍尔电压检测单元输出两个未选取端的霍尔电压；

电流检测单元，用于检测恒定电流供给单元输出给样品的恒定电流的电平；和

输入电压检测单元，用于根据恒定电压供给单元输出到样品的恒定电流检测样品的输入电压。

13.如权利要求12所述的装置，还包括测量误差检测单元，用于根据恒定电流供给单元输出给样品的恒定电流，利用样品的输入电压电平检测样品的测量误差。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，测量误差检测单元包括：

电压检测单元，用于根据恒定电流供给单元输出到样品的恒定电流检测样品的输入电压电平；和

比较器，用于将电压检测单元的输出电压与预定的参考电压相比，并判断是否有测量误差。

15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，霍尔电压测量装置包括：

多个模拟-数字转换器，用于把霍尔电压检测单元、输入电压检测单元和电流检测单元的输出信号转换成数字信号；

微处理器，用于控制切换单元的切换操作，利用从电流检测单元输出并被模拟-数字转换器转换的数字信号确定恒定电流供给单元的输出电流，调节设置的恒定电流以便输出，控制恒定电流的极性，并利用从霍尔电压检测单元和输入电压检测单元输出并被模拟-数字转换单元转换的数字信号计算霍尔效应相关值，并显示算出的霍尔效应相关值；

键盘输入单元，用于根据用户的手工操作向微处理器输入操作指令；和

显示单元，用于根据微处理器的控制显示算出的霍尔效应的值。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，霍尔电压测量装置包括：

个人计算机，用于通过控制微处理器设置恒定电流，测量霍尔电压和输入电压，并通过输入测得的霍尔电压和输入电压计算霍尔效应相关值；和

接口单元，设置在微处理器和个人计算机之间，用于在二者之间交接数据。

17.一种用于测量霍尔效应的方法，包括步骤：

a)输入施加给样品的恒定电流，磁通量密度和样品的厚度；

b)调节输入给样品的恒定电流的电平；

c)把样品的四个端子顺序地设置为两个输入端和两个输出端，并在调节恒定电流的极性的同时，测量从样品输出的霍尔电压和样品的输入电压；

d)把永磁体支架正向插入，依次设置为样品的输入端和输出端，并在调节恒定电流的极性的同时，测量从样品输出的霍尔电压和样品的输入电压；

e)把永磁体支架反向插入，顺序设置样品的输入端和输出端，并在调节恒定电流的极性的同时，测量从样品输出的霍尔电压和样品的输入电压；和

f)把在步骤c)～e)测得的值带入方程，并计算和显示有关霍尔效应的值。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，步骤f)包括用于根据用户的手工操作修改磁通量密度和样品的厚度的步骤，并且如果输入计算开始的命令，则再次利用修改的磁通量密度、修改的样品厚度和测得的值计算霍尔效应相关值，并显示算出的霍尔效应相关值。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，如果用户设置手工模式，则可以输入施加到样品的恒定电流、磁通量密度和样品的厚度，霍尔电压和输入样品的电压、计算霍尔系数相关值，并显示算出的霍尔系数相关值。

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