基于Labview的表面光電壓測量系統和方法與流程

本發明屬于材料研究領域領域，具體涉及基于labview的表面光電壓測量系統和方法。

背景技術：

表面光電壓譜（spv）在半導體及現代許多高科技領域里是一種很重要的研究手段。半導體與金屬接觸處產生表面勢壘，當光照射在樣品與金屬的接觸界面上時，在光照面和非光照面之間建立起電位差，記錄這個電位差和入射光波長的關系得到表面光電壓譜。表面光電壓譜反應材料的光吸收性質、電子的帶-帶躍遷等，同時受到光生載流子壽命的影響。spv多用于測量非平衡少數載流子的壽命，多采用的穩態測量法。它利用穩定的光照，使半導體中非平衡少子的分布達到穩定，從而精確、快速地推算出少子壽命。表面光電壓(spv)譜是研究固體表面性質的最靈敏的方法之一。其靈敏度高于xps和auger電子能譜幾個數量級，操作簡單，再現性好，測試中不破壞樣品，不改變樣品的形貌。光電壓指的是光照引起的表面電勢的變化。表面光電壓譜(ssp)可用于非破壞性研究半導體材料的特性參數，如深能級和表面能級位置，禁帶寬度等。

現有表面光電譜測量系統的基本組成為：光源、單色儀、斬波器、樣品池、鎖相放大、計算機。市場上的系列表面光電壓譜測量系統主要有氙燈光源、自動掃描單色儀、光纖束、鎖相放大器、光學斬波器、暗室和數據采集軟件等部分組成。表面光電壓譜測量中一個關鍵的測量不確定因素是光源的穩定性，數據采集軟件可直接控制單色儀進行波長與表面光電壓信號采集。

現有系統存在的問題是：1.參考信號和表面光電壓信號進入鎖相放大器的不同路徑、放大器內部的低通濾波電路影響兩信號的同步輸入鎖相環，進而影響相位角的測量精度；2.電路時間常數不同時，結果的可比性變差；3.工作原理是利用信號的相關性對光電信號利用鎖相放大器進行鑒幅鑒相，但在信號較弱時，去噪效果并不理想。另外，在固定波長的光作用下，觀察光電壓信號的實時變化誤差較大。

現有技術中存在一些表面光電壓的測定方法。

公開號為cn105629079a的專利文獻公開一種原子力顯微鏡和表面光電壓譜聯用方法，其中的測定步驟為4打開單色光譜儀，開啟氙燈，選擇380納米作為起始掃描波長。5開啟斬波器，設定頻率為6赫茲，并將斬波器頻率信號輸入到鎖相放大器；6將鎖相放大器得到的振幅和相位信號接入電腦主機的數據采集卡7設定單色光譜儀的掃描步長為5納米，重復步驟5和6，終止掃描波長為600納米；8通過微機以單色儀分光得到單色光波長為橫坐標，以鎖相放大器輸出的振幅信號為縱坐標，在微機上繪制出待測固體樣品所需測量區域表面的表面光電壓譜圖；和/或，以單色儀分光得到單色光波長為橫坐標，以鎖相放大器輸出的相位角信號為縱坐標，在微機上繪制出待測固體樣品所需測量區域表面的相位角譜圖。

公告號為cn203929696u的專利文獻公開了一種新型恒溫抗干擾gaas光電壓譜測試系統，它整體結構是由計算機、程控電源，鹵鎢燈、光柵單色儀、斬波器、恒溫光電壓池系統以及鎖相放大器組成。光源發出的白光經過光柵單色儀進行單色光掃描，斬波器對單色光進行調制，然后經過光學系統匯聚后經由光纖引入到光電壓池內，樣品產生的表面光電壓信號經過ito導電玻璃傳給鎖相放大器進行信號放大，底層ito導電玻璃接地，最后由計算機進行譜圖采集和計算。

上述光電壓測試系統和方法，是現有技術中存在的方法，參考信號和表面光電壓信號進入鎖相放大器的不同路徑、放大器內部的低通濾波電路影響兩信號的同步輸入鎖相環，進而影響相位角的測量精度；電路時間常數不同時，結果的可比性變差；另外，在固定波長的光作用下，觀察光電壓信號的實時變化誤差較大。

光電壓譜圖作為研究半導體等材料的精確方法，需要對現有的測定系統和方法進行改進，滿足對材料的精確信息的獲取的要求。

技術實現要素：

為克服以上問題，本發明提出一種基于labview的表面光電壓測量系統和方法。

labview是通用的編程系統，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫。labview的函數庫包括數據采集、gpib、串口控制、數據分析、數據labview標志顯示及數據存儲，等等。labview也有傳統的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序(子vi)的結果、單步執行等等，便于程序的調試。

labview是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言。傳統文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執行順序，而labview則采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了vi及函數的執行順序。vi指虛擬儀器，是labview的程序模塊。

labview提供很多外觀與傳統儀器(如示波器、萬用表)類似的控件，可用來方便地創建用戶界面。用戶界面在labview中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱g代碼。labview的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。

labview最初就是為測試測量而設計的，因而測試測量也就是現在labview最廣泛的應用領域。經過多年的發展，labview在測試測量領域獲得了廣泛的承認。至今，大多數主流的測試儀器、數據采集設備都擁有專門的labview驅動程序，使用labview可以非常便捷的控制這些硬件設備。同時，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領域的labview工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎上再開發程序就容易多了。有時甚至于只需簡單地調用幾個工具包中的函數，就可以組成一個完整的測試測量應用程序。

本發明利用labview軟件編程，提出一種基于labview的表面光電壓測量系統，包括光源、單色儀、斬波器、樣品池、放大器、采樣模塊和上位機，光源的出光口正對單色儀，斬波器對單色儀的光信號進行調制，樣品池用于放置樣品，樣品池的信號輸出端連接放大器的信號輸入端，上位機通過串口與單色儀的通信端口連接，上位機通過串口和斬波器的端口連接。

進一步地、采用labview系統對單色儀步進參數和斬波器的旋轉頻率進行控制。

進一步地、應用光電壓信號作為觸發信號，光電信號觸發產生兩個同步正交正弦信號作參考信號。

進一步地、應用所述的基于labview的表面光電壓測量系統，包括步驟：

（1）、設備初始化以及參數設置；

（2）、產生表面光電壓，應用所述表面光電壓觸發兩同步正交正弦信號；

（3）、應用采樣模塊采樣；

（4）、進行鑒相、鑒幅運算，顯示并存儲光電壓spv和相位θ；

（5）、直到波長達到終值，結束。

進一步地、在所述（1）中，參數設置包括激發光的初、終值，單色儀的步進速度以及斬波器的旋轉速度。

進一步地、在所述（2）中，如表面光電壓為零，則返回參數設置，直到測定表面光電壓不為零。

進一步地、在所述（3）中，如采樣數據不夠，則繼續進行采樣，直到滿足要求。

一種基于labview的表面光電壓測量方法，應用所述的基于labview的表面光電壓測量系統，包括步驟：

（1）、設備初始化；

（2）、激發波長設定，斬波器旋轉速度設定；

（3）、采樣儲存；

（4）、小波分析；

（5）、顯示儲存；

（6）、結束。

進一步地、在所述（3）中，如采樣數據不夠，則繼續進行采樣，直到滿足要求。

本發明的有益效果是：

1、本發明提出一種基于labview的表面光電壓測量系統，包括光源、單色儀、斬波器、樣品池、放大器、采樣模塊和上位機，光源的出光口正對單色儀，斬波器對單色儀的光信號進行調制，樣品池用于放置樣品，樣品池的信號輸出端連接放大器的信號輸入端，上位機通過串口與單色儀的通信端口連接，上位機通過串口和斬波器的端口連接。

其應用labview，光源的出光口正對單色儀，斬波器對單色的光信號進行調制形成交流光信號，光源可以采用常規的氘燈，單色儀可以采用光柵，以快速響應的光電壓信號為觸發信號，程序生成以調制光頻率相同，相互正交的兩正弦信號為參考信號，使待測信號與參考信號實現同步，減小參考信號與待測信號傳輸路徑不同所引起的相位差問題。

應用labview控制單色儀的步進速度和斬波器的旋轉速度。

2、借用軟件完成鑒相與鑒幅運算，相比傳統的利用信號的相關性對光電信號利用鎖相放大器進行鑒幅鑒相，但在信號較弱時，去噪效果并不理想存在的問題，以提高信噪比。

3、固定波長的情況下，表面光電壓spv隨時間的變化的測量，解決現有技術中的光電壓信號的實時變化誤差較大的技術問題。

4、在數據采集后采用小波分析，改善信號的實時性。

5、本發明在進行采樣時，包括確定采樣足夠的步驟，能夠保證數據準確，信息完全。

附圖說明

圖1、本發明表面光電壓測量系統的結構框圖；

圖2、本發明的測量系統λ-spv,θ測量框圖；

圖3、本發明光電壓spv-t測量框圖。

具體實施方式

為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步清楚闡述本發明的內容，但本發明的保護內容不僅僅局限于下面的實施例。在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對于本領域技術人員來說顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。

下面結合附圖對本方法做進一步說明。

如圖1所示，本發明的基于labview的表面光電壓測量系統，包括光源、單色儀、斬波器、樣品池、放大器、采樣模塊、上位機，光信號從光源發出，光源的輸出口正對單色儀的輸入口，光源可以采用氘燈，其發出的復合光經過斬波器的調制，成為交流光信號，單色儀可以選用光柵，樣品池用于放置樣品，并且提供所需暗環境，樣品池的信號輸出端連接放大器的信號輸入端，上位機通過串口與單色儀的通信端口連接，用于控制單色儀的步進參數，上位機通過串口和斬波器的端口連接，用以控制斬波器的旋轉頻率。在上位機中應用labview虛擬軟件，因光電響應在飛秒級，所以選擇光電壓信號作為觸發信號。光電信號觸發產生兩個同步正交正弦信號作參考信號，（圖2）產生光電壓spv及相位θ。

如圖2所示，進行設備初始化和基本參數設置，參數設置可以包括激發光的初始、終了值，單色儀的步進速度和斬波器的旋轉速度等，確認表面光電壓是否為零，如果是，則返回上步驟進行重新設置，如果否，則證明存在表面光電壓信號，光電響應在飛秒級，所以選擇光電壓信號作為觸發信號。光電信號觸發產生兩個同步正交正弦信號作參考信號，如此使待測信號與參考信號實現同步，從而解決現有技術中的參考信號和表面光電壓信號進入鎖相放大器的不同路徑、放大器內部的低通濾波電路影響兩信號的同步輸入鎖相環，進而影響相位角的測量精度的問題；

進行采樣，系統詢問采樣數是否滿足，如果否，則繼續進行采樣直到采樣數滿足要求，之后進行鑒相、鑒幅運算，顯示并存儲光電壓spv和相位θ，如果波長沒有到達終值，則繼續進行采樣、運算、得到光電壓spv和相位θ，直到波長達到終值，結束測定過程。

本實施例采用labview虛擬軟件，選擇光電壓信號作為觸發信號。光電信號觸發產生兩個同步正交正弦信號作參考信號，如此使待測信號與參考信號實現同步，從而解決現有技術中的參考信號和表面光電壓信號進入鎖相放大器的不同路徑、放大器內部的低通濾波電路影響兩信號的同步輸入鎖相環，進而影響相位角的測量精度的問題；借用軟件完成鑒相與鑒幅運算，提高信噪比。

在固定激發波長的條件下，測量光電壓spv隨時間的變化，設定步驟如圖3：

開始進行設備初始化，設定激發波長和斬波器速度，采用上述系統測量光電壓，進行采樣儲存，之后進行小波分析，將結果進行顯示儲存。上位機采用labview虛擬軟件對單色儀步進參數、斬波器的旋轉頻率進行控制；因光電響應在飛秒級，所以選擇光電壓信號作為觸發信號。光電信號觸發產生兩個同步正交正弦信號作參考信號，并且在數據采集后采用小波分析，改善信號的實時性，解決現有技術中參考信號和表面光電壓信號進入鎖相放大器的不同路徑、放大器內部的低通濾波電路影響兩信號的同步輸入鎖相環，進而影響相位角的測量精度的技術問題；同時解決電路時間常數不同時，結果的可比性變差以及利用鎖相放大器進行鑒幅鑒相，但在信號較弱時，去噪效果并不理想的技術問題，另外，避免在固定波長的光作用下，觀察光電壓信號的實時變化誤差較大的技術問題。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本發明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。