Описание лабораторной установки

Автоматизированная лабораторная установка для исследования свойств полупроводниковых материалов предназначена для автоматизированного исследования электрофизических свойств полупроводников методом эффекта Холла на лабораторных занятиях, при выполнении дипломного, курсового проектирования, в научно-исследовательской работе студентов, а также для образовательных программ технической, педагогической направленности, для научных исследований ВУЗов и организаций различных регионов России.

Установка предназначена для работы при температурах от +10 до +350 ºС и относительной влажности воздуха до 70 % при 250 ºС.

Работа реализована на стенде, который состоит из компьютера и измерительного блока. Измерительный блок (рис. 51) состоит из магнитной системы с образцом и электронной части. Блок реализует классическую схему измерений для исследования эффекта Холла. Компьютер (совместно с программным обеспечением) является управляющим и индицирующим элементом стенда. Во время измерений стенд работает как в режиме цифрового осциллографа, так и в режиме измерений отдельных величин по приборам измерительной схемы.

Программное обеспечение управляет процессом измерений и позволяет рассчитывать параметры и характеристики исследуемого материала. Оно представлено двумя приложениями – Hall.exe и Server.exe.

Server.exe – это программа общения с измерительным блоком. Она работает самостоятельно и не зависит от приложения Hall.exe.

Hall.exe – программа общения с пользователем. Она может работать как совместно с Server.exe, так и без нее. В первом случае возможно проводить как измерения, так и их обработку, во втором – только обработку ранее сделанных измерений.

Рис. 51. Измерительный блок

Схема измерения

Схем измерений, которые реализованы в реальном измерительном блоке, можно выбрать три – либо при помощи команд меню, либо при помощи панели инструментов окна (рис. 52). На каждой схеме присутствует свой набор управляющих и регистрирующих инструментов.

Рис. 52. Переключение между схемами измерений

Схема измерений № 3 (рис. 53) предназначена для проведения однократных измерений с последующим изменением установок источников воздействия или однократных измерений при изменении температуры в результате нагрева или охлаждения. То есть, схема реализует измерение характеристик «по точкам» (например, зависимость ЭДС Холла от индукции магнитного поля). Специальный вольтметр Vs2 и измеритель индукции B, измеряют положительные и отрицательные значения и определяют среднее. Такая возможность позволяет исключить из результатов измерений остаточную ЭДС Холла, которая присутствует при нулевой индукции магнитного поля.

На схеме присутствуют следующие элементы:

Измеритель температуры.

Нагреватель.Предназначен для включения (выключения) нагрева.

Образец.Можно просмотреть данные об образце.

Вольтметр V1. Предназначен для измерения напряжения вдоль линии тока.

Управляемый источник тока.Предназначен для изменения тока через образец.

Амперметр (А). Предназначен для измерения силы тока.

Вольтметр специальный Vs2. Предназначен для измерения средней ЭДС Холла.

Рис. 53 Схема измерений № 3

Измеритель индукции (B). Предназначен для измерения средней величины индукции магнитного поля.

Функциональный генератор.Предназначен для изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце. Генератор задает положительные и отрицательные значения тока одинаковой амплитуды.

Управляющие инструменты

На каждой измерительной схеме присутствует свой набор инструментов. Их можно разделить на управляющие и регистрирующие. Управляющие инструменты – это инструменты, связанные с источниками воздействия; регистрирующие инструменты – это измерительные приборы, которые представляют измеренные данные.

Нагреватель предназначен для включения (выключения) нагрева.

На рисунке 54 приведена схема управления нагревателем. Чтобы включить (или выключить) нагреватель, следует щелкнуть на выключателе левой кнопкой «мыши». Светодиод индицирует состояние включения (выключения) нагрева.

Рис. 54. Управление нагревателем

Если температура достигает предельной для измерительного блока, нагрев автоматически выключается независимо от положения выключателя.

Управляемый источник тока 1 предназначен для изменения тока через образец. Схема управления током приведена на рисунке 55. Изменение положения ползунка позволяет изменять значение силы тока через образец от нуля до максимального значения. Максимальное значение силы тока определяется образцом, включенным в измерительном блоке лабораторного стенда. Конкретное значение можно узнать, щелкнув на схеме измерений «Образец». Обычно это значение около 3 мА.

Рис. 55. Управление током через образец

Управляемый источник тока 2 предназначен для изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце. Схема управления величиной индукции показана на рисунке 56. Изменение положения ползунка позволяет при помощи ползунка изменять значение силы тока через катушку, создающую магнитное поле в образце, изменяя таким образом магнитную индукцию. Магнитная индукция может изменяться от отрицательного до положительного максимального значения. Максимальное значение определяется конкретной реализацией измерительного блока лабораторного стенда. Обычно это значение около 0,5 Тл.

Рис. 56. Управление величиной индукции в образце

Функциональный генератор схемы № 2 (рис. 57) предназначен для пилообразного изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце. Генератор работает в измерительной схеме, в которой в качестве регистрирующего прибора применяется электронный осциллограф. Поэтому появляется необходимость в периодическом линейном (пилообразном) изменении тока через катушку. По такому же закону будет изменяться и магнитная индукция. График одного периода работы генератора изображается на диаграмме рабочего окна.

Рис. 57. Функциональный генератор схемы № 2

Максимальное значение магнитной индукции определяется конкретной реализацией измерительного блока лабораторного стенда. Обычно это значение около 0,5 Тл.

Окошечко с цифрой показывает количество точек в одном периоде работы генератора.

Функциональный генератор схемы № 3 (рис. 58) предназначен для изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце. Генератор задает положительные и отрицательные значения тока одинаковой амплитуды. По такому же закону будет изменяться и магнитная индукция. График двух периодов работы генератора изображается на диаграмме рабочего окна.

Необходимость такого сигнала связана с тем, что в реальных датчиках Холла существует начальная ЭДС Холла, т.е. ЭДС при нулевом значении магнитной индукции (но не нулевом значении тока через образец). Если измерить ЭДС, соответствующее положительному и отрицательному значению, а затем найти среднее значение, то начальная ЭДС Холла при такой операции вычитается. Поэтому такой генератор используется в схеме измерений, в которой в качестве регистрирующих приборов используются специальный вольтметр Vs2и измеритель средней индукции.

Рис. 58. Функциональный генератор схемы № 3