CN206618831U - 一种新型变温霍尔效应测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种新型变温霍尔效应测试仪，包括一主机和与所述主机通过导线连接的一可变温变场样品台，所述可变温变场样品台包括一基座，所述基座还包括一固定架，于所述固定架的相对两端分别设置有一前固定座和一后固定座，二滑轨的相对两端分别固定于所述前固定座和所述后固定座，所述二滑轨上设有一滑动台，一连杆的一端穿过所述前固定座和所述滑动台固定于所述后固定座，其另一端与一控制手轮连接，一永磁体可旋转的安装于所述滑动台，一电路板固定于所述后固定座，所述电路板朝向所述永磁体的一面设有一霍尔元件样品放置区，所述半导体样品的四边的中间区域均具有一导电区域，四导电胶带分别将四所述导电区域连接至所述霍尔元件样品放置区。

Description

一种新型变温霍尔效应测试仪

技术领域

本实用新型涉及量子力学领域，具体涉及一种新型变温霍尔效应测试仪。

背景技术

1879年，霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的导体在磁场中受力的情况时，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。霍尔效应在半导体研究领域起了非常重要的作用，霍尔效应测量是研究半导体性质的最基本、最常用的实验方法。

在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场强度与洛伦兹力产生平衡之后不再聚集，此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，这个现象称为霍尔效应。霍尔效应的测量是研究半导体性质的重要实验方法，利用霍尔系数和电导率的联合测量，可以用来确定半导体的导电类型和载流子浓度。通过测量霍尔系数与电导率随温度的变化，可以确定半导体的禁带宽度、杂质电离能及迁移率的温度系数等基本参数。

在半导体霍尔效应的测量的过程中，一般要将半导体样品截成边长4-9mm左右的矩形样片，研磨至厚度为0.3-0.6mm左右，进行腐蚀抛光。然后在样品四边的中间位置点上接点材料，再进行烧结，以实现欧姆接触。制样完成后，将样品的四个接点用细铜丝焊接在样品架上，在霍尔效应测量仪上进行测量。由于铜丝很细，在焊接过程中不易操作，一个样品需要几分钟才能焊接完成，效率低，不适合工业生产下的大量测量工作。

所以，学校实验室中现有的霍尔效应测试实验时只测量这一个样品，不再更换其它半导体样品，这不利于学生对霍尔效应和半导体特性的理解。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供了一种新型变温霍尔效应测试仪，以解决现有半导体样品安装效率低、不容易更换半导体样品等缺陷。

为实现上述目的，本实用新型之一种新型变温霍尔效应测试仪，用于测量半导体样品的霍尔效应和半导体特性，包括一主机和与所述主机通过导线连接的一可变温变场样品台以及一散热器，所述可变温变场样品台包括一基座，所述基座还包括一固定架，于所述固定架的相对两端分别设置有一前固定座和一后固定座，二滑轨的相对两端分别固定于所述前固定座和所述后固定座，所述二滑轨上设有一滑动台，一连杆的一端穿过所述前固定座和所述滑动台固定于所述后固定座，其另一端与一控制手轮连接，一永磁体可旋转的安装于所述滑动台，一电路板固定于所述后固定座，所述电路板朝向所述永磁体的一面设有一霍尔元件样品放置区和一加热模块，所述电路板背向所述永磁体的一面设有一热电半导体以及位于所述热电半导体的一水冷模块，所述半导体样品的四边的中间区域均具有一导电区域，四导电胶带分别将四所述导电区域连接至所述霍尔元件样品放置区并将所述半导体样品固定于所述电路板。

进一步地，所述导电胶带具有相对设置的一导电面和一绝缘面，所述导电面的中间区域电镀有至少一层金属导电层，所述导电面的四周区域涂抹有至少一层粘性胶。

进一步地，所述散热器为循环散热水箱，所述水冷模块连接所述循环散热水箱。

进一步地，所述主机包括一12位DAC芯片，且具有一触摸显示控制屏幕和一正电压接口、一负电压接口、一正电流接口以及一负电流接口，所述电路板上也具有一正电压接口、一负电压接口、一正电流接口以及一负电流接口。

进一步地，所述热电半导体的制冷面紧贴所述电路板，所述热电半导体的制热面紧贴所述水冷模块，所述热电半导体与所述电路板的接触面以及所述热电半导体与所述水冷模块的接触面均涂有导热脂。

进一步地，位于所述控制手轮和所述滑动台之间的所述连杆上套设有一弹性件，位于所述滑动台和所述后固定架之间的所述连杆上套设有另一弹性件，所述连杆通过设置于其端部区域的外螺纹结构固定于所述后固定架具有内螺纹结构的通孔中。

进一步地，所述弹性件和所述另一弹性件均为弹簧。

进一步地，所述永磁体为铷铁硼强磁。

进一步地，所述新型变温霍尔效应测试仪还包括一磁屏蔽罩罩设于所述永磁体和所述电路板的外围，所述磁屏蔽罩的一侧的下端设有一开口供所述连杆穿过。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果是：本实用新型的一种新型变温霍尔效应测试仪，所述半导体样品因为通过所述导电胶带固定于所述霍尔元件样品放置区并与所述电路板相关的电路连接，所以更换半导体样品时，只需要撕下所述导电胶带就可以将所述半导体样品从所述电路板卸下，安装新的半导体样品时，用所述导电胶带即可实现电连接和固定，操作简单且效率高。所述磁屏蔽罩罩设于所述永磁体和所述电路板的外围，可以阻挡外界磁场对所述半导体样品的磁场干扰，使测量结果更准确。

附图说明

图1是本实用新型一种新型变温霍尔效应测试仪的可变温变场样品台的结构示意图；

图2是本实用新型一种新型变温霍尔效应测试仪的主机以及部分电路板的结构示意图；

图3是本实用新型一种新型变温霍尔效应测试仪的半导体样品放置在电路板上的结构示意图；

图4是本实用新型一种新型变温霍尔效应测试仪的半导体样品通过导电胶带固定在电路板上的结构示意图；

图5是本实用新型一种新型变温霍尔效应测试仪的导电胶带的结构示意图；

图6是本实用新型一种新型变温霍尔效应测试仪的磁屏蔽罩的结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本实用新型之技术内容、构造特征、所达成目的及功效，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

请参阅图1所示，并结合图2至图6所示，本实用新型提供一种新型变温霍尔效应测试仪，用于测量半导体样品的霍尔效应和半导体特性，包括一主机1和与所述主机1通过导线连接的一可变温变场样品台3以及一散热器(未图示)，所述可变温变场样品2台包括一基座31，所述基座31还包括一固定架，于所述固定架的相对两端分别设置有一前固定座34和一后固定座36，二滑轨35的相对两端分别固定于所述前固定座34和所述后固定座36，所述二滑轨35上设有一滑动台32，一连杆33的一端穿过所述前固定座34和所述滑动台32固定于所述后固定座36，其另一端与一控制手轮38连接，一永磁体4可旋转的安装于所述滑动台32，一电路板2固定于所述后固定座36，所述电路板2朝向所述永磁体4的一面设有一霍尔元件样品放置区和一加热模块21，所述电路板2背向所述永磁体4的一面设有一热电半导体22以及位于所述热电半导体22的一水冷模块23，所述半导体样品6的四边的中间区域均具有一导电区域61，四导电胶带7分别将四所述导电区域61连接至所述霍尔元件样品放置区并将所述半导体样品6固定于所述电路板2。

进一步地，所述导电胶带7具有相对设置的一导电面和一绝缘面，所述导电面的中间区域电镀有至少一层金属导电层71，所述导电面的四周区域涂抹有至少一层粘性胶72。

进一步地，所述散热器为循环散热水箱，所述水冷模块23连接所述循环散热水箱。

进一步地，所述主机1包括一12位DAC芯片，且具有一触摸显示控制屏幕11和一正电压接口、一负电压接口、一正电流接口以及一负电流接口，所述电路板2上也具有一正电压接口、一负电压接口、一正电流接口以及一负电流接口。

进一步地，所述热电半导体22的制冷面紧贴所述电路板2，所述热电半导体22的制热面紧贴所述水冷模块23，所述热电半导体22与所述电路板2的接触面以及所述热电半导体22与所述水冷模块23的接触面均涂有导热脂。

进一步地，位于所述控制手轮38和所述滑动台32之间的所述连杆33上套设有一弹性件(未图示)，位于所述滑动台32和所述后固定架34之间的所述连杆33上套设有另一弹性件(未图示)，所述连杆33通过设置于其端部区域的外螺纹结构固定于所述后固定架36具有内螺纹结构的通孔中。

进一步地，所述弹性件和所述另一弹性件均为弹簧。

进一步地，所述永磁体4为铷铁硼强磁。

进一步地，所述新型变温霍尔效应测试仪还包括一磁屏蔽罩5罩设于所述永磁体4和所述电路板2的外围，所述磁屏蔽罩5的一侧的下端设有一开口51供所述连杆33穿过。

使用时，首先将所述半导体样品6通过所述导电胶带7连接且固定于所述电路板，将所述可变温变场样品台3与所述主机1和/或所述散热器连接，罩上所述磁屏蔽罩5后，打开所述主机1，通过所述手轮38调节所述永磁体4与所述半导体样品6之间的距离，以改变所述半导体样品6上磁场的强度，旋转所述永磁体4，以改变所述半导体样品6中磁场的方向，通过所述触摸显示控制屏幕11来发出控制命令使所述新型变温霍尔效应测试仪执行测量霍尔效应系数或者测量霍尔效应磁阻等实验，并且通过所述触摸显示控制屏幕11显示经所述主机1的相关单元分析计算后的相应的二维关系图。具体的如下：

(1)霍尔系数实验

A.对霍尔电流的输出以及霍尔电压的输入进行正确的连线。即：将所述主机1前面板的接口与所述电路板2上的接口按下列方式连接：I+连I+；V+连V+；I-连I-；V-连V-。

B.所述主机1连接电源，打开电源开关。

C.所述主机1启动完毕后，点击“HALL测试”按钮后进入HALL测试实验界面，调整所述控制手轮38，以调整所述永磁体4距离所述电路板2的远近，同时观察所述触摸显示控制屏幕11上磁场强度数值的变化，以200高斯至1000高斯范围内的磁场大小较为合适。

D.确定好磁场大小后，点击“终止电流”、“电流步长”后的对话框可以分别设置终止电流与电流步长。点击“开始测试”按钮后，则系统会测试一条从0开始以电流步长为间隔至终止电流大小结束的“霍尔电压vs霍尔电流”曲线，曲线数据会在所述触摸显示控制屏幕下方显示。

E.根据实验得到的磁场大小B、霍尔电流Is，霍尔电压UH，结合实验原理中介绍的公式计算样品的霍尔系数、载流子浓度、迁移率。(样品的长宽L、l为1mm，厚d为0.1mm)

(2)磁阻效应实验

A.对电流的输出以及电压的输入进行正确的连线。即：将所述主机1前面板的接口与所述电路板2上的接口按下列方式连接I+连I+；V+连V+；I-连V-；V-连I-。(注意，此时与霍尔效应的范德堡接线法不一样，此时为四电极测电阻接法)

B.所述主机1连接电源，打开电源开关。

C.所述主机1启动完毕后，点击“磁阻测试”按钮后进入磁阻测试实验界面，调整所述控制手轮38，以调整所述永磁体4距离所述电路板的远近，同时观察所述触摸显示控制屏幕11上磁场强度数值的变化，以200高斯至1000高斯范围内的磁场大小较为合适。

D.确定好磁场大小后，点击“霍尔电流”输入框，输入电流大小。点击“记录数据”按钮后，则系统会测试当前磁场下的磁阻大小，并显示在所述触摸显示控制屏幕11上。不断的调整磁场的大小，即可得到磁阻随磁场变化的磁阻曲线。

(3)变温霍尔效应实验

A.对电流的输出以及电压的输入进行正确的连线。即：“霍尔系数实验”接线法。

B.所述主机1连接电源，打开电源开关。

C.启动所述热电半导体22和所述加热模块21以及所述水冷模块23。

D.所述主机1启动完毕后，点击“变温系统”按钮后进入变温实验界面。调整所述控制手轮38，以调整所述永磁体4距离所述电路板2的远近，同时观察所述触摸显示控制屏幕上磁场强度数值的变化，以200高斯至1000高斯范围内的磁场大小较为合适。

E.确定好磁场大小后，点击“霍尔电流”输入框，设置霍尔电流的大小。点击“设置温度”输入框，设定温度值。点击“设置温度”按钮后，则系统会向设定的温度变化，待温度在设定的温度值附近稳定2分钟后，点击“记录数据”按钮则系统会进行一次霍尔测试，并将实验数据记录在屏幕上。不断的变化设置温度点，则可以得到一条霍尔效应随温度变化的曲线。

F.根据实验得到的温度T，磁场大小B、霍尔电流Is，霍尔电压UH，结合实验原理中介绍的公式计算样品的霍尔系数、载流子浓度、迁移率。绘制出霍尔参数的温度特性曲线。

(4)半导体禁带宽度实验

A.对电流的输出以及电压的输入进行正确的连线。即：“霍尔效应实验”接线法

B.启动所述热电半导体22和所述加热模块21以及所述水冷模块23。

C.所述主机1连接电源，打开电源开关。

D.所述主机1启动完毕后，点击“变温系统”按钮后进入变温实验界面。调整所述控制手轮38的旋钮，将所述永磁体4摇至距离所述电路板2的最远。

E.点击“霍尔电流”输入框，设置霍尔电流的大小。点击“设置温度”输入框，设定温度值。点击“设置温度”按钮后，则系统会向设定的温度变化，待温度在设定的温度值附近稳定2分钟后，点击“记录数据”按钮则系统会进行一次测试，并将实验数据记录在屏幕上。不断的变化设置温度点，则可以得到一条电阻随温度变化的曲线。

F.根据实验得到的温度T，霍尔电流Is，霍尔电压UH，用UH除以Is得到样品的一般电阻，绘制得到电阻随温度变化的特性曲线，用“实验原理”内的相关公式进行拟合，求出禁带宽度△。

(5)磁场距离衰减分布实验

A.对电流的输出以及电压的输入进行正确的连线。即：“磁阻效应实验”接线法

B.启动所述热电半导体22和所述加热模块21以及所述水冷模块23。

C.所述主机1连接电源，打开电源开关。

D.所述主机1启动完毕后，点击“磁场空间分布”按钮后进入实验界面。

E.点击“霍尔电流”输入框，设置霍尔电流的大小。

F.点击“输入位置”输入框，记录位置。所述控制手轮38每旋转360度，所述滑动台32移动0.5mm。以所述滑动台32靠近所述电路板2一端的顶点为起始位置原点，通过所述控制手轮38并不断输入位置后，点击“记录数据”按钮可以得到一系列霍尔电压随位置变化的测试点，对实验数据进行分析，找出磁场随距离分布的数学关系。

综上所述，仅为本实用新型之较佳实施例，不以此限定本实用新型的保护范围，凡依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本实用新型专利涵盖的范围之内。

Claims (9)

1.一种新型变温霍尔效应测试仪，用于测量半导体样品的霍尔效应和半导体特性，其特征在于：包括一主机和与所述主机通过导线连接的一可变温变场样品台以及一散热器，所述可变温变场样品台包括一基座，所述基座还包括一固定架，于所述固定架的相对两端分别设置有一前固定座和一后固定座，二滑轨的相对两端分别固定于所述前固定座和所述后固定座，所述二滑轨上设有一滑动台，一连杆的一端穿过所述前固定座和所述滑动台固定于所述后固定座，其另一端与一控制手轮连接，一永磁体可旋转的安装于所述滑动台，一电路板固定于所述后固定座，所述电路板朝向所述永磁体的一面设有一霍尔元件样品放置区和一加热模块，所述电路板背向所述永磁体的一面设有一热电半导体以及位于所述热电半导体的一水冷模块，所述半导体样品的四边的中间区域均具有一导电区域，四导电胶带分别将四所述导电区域连接至所述霍尔元件样品放置区并将所述半导体样品固定于所述电路板。

2.根据权利要求1所述的新型变温霍尔效应测试仪，其特征在于：所述导电胶带具有相对设置的一导电面和一绝缘面，所述导电面的中间区域电镀有至少一层金属导电层，所述导电面的四周区域涂抹有至少一层粘性胶。

3.根据权利要求1所述的新型变温霍尔效应测试仪，其特征在于：所述散热器为循环散热水箱，所述水冷模块连接所述循环散热水箱。

4.根据权利要求1所述的新型变温霍尔效应测试仪，其特征在于：所述主机包括一12位DAC芯片，且具有一触摸显示控制屏幕和一正电压接口、一负电压接口、一正电流接口以及一负电流接口，所述电路板上也具有一正电压接口、一负电压接口、一正电流接口以及一负电流接口。

5.根据权利要求1所述的新型变温霍尔效应测试仪，其特征在于：所述热电半导体的制冷面紧贴所述电路板，所述热电半导体的制热面紧贴所述水冷模块，所述热电半导体与所述电路板的接触面以及所述热电半导体与所述水冷模块的接触面均涂有导热脂。

6.根据权利要求1所述的新型变温霍尔效应测试仪，其特征在于：位于所述控制手轮和所述滑动台之间的所述连杆上套设有一弹性件，位于所述滑动台和所述后固定架之间的所述连杆上套设有另一弹性件，所述连杆通过设置于其端部区域的外螺纹结构固定于所述后固定架具有内螺纹结构的通孔中。

7.根据权利要求6所述的新型变温霍尔效应测试仪，其特征在于：所述弹性件和所述另一弹性件均为弹簧。

8.根据权利要求1～7任一项所述的新型变温霍尔效应测试仪，其特征在于：所述永磁体为铷铁硼强磁。

9.根据权利要求1～7任一项所述的新型变温霍尔效应测试仪，其特征在于：所述新型变温霍尔效应测试仪还包括一磁屏蔽罩罩设于所述永磁体和所述电路板的外围，所述磁屏蔽罩的一侧的下端设有一开口供所述连杆穿过。