Використання магнітних полів для визначення параметрів напівпровідникових матеріалів та структур

• Вступ
• Розділ 1. Літературний огляд
• 1.1 Основні ефекти в напівпровідникових матеріалах, що виникають у магнітному полі
• 1.1.1 Ефект Холла
• 1.1.2 Геометрія зразків і положення контактів
• 1.1.3 Методи експериментального дослідження ефекту Холла
• 1.1.4 Магніторезистивний ефект
• Розділ 2. Оригінальна частина
• 2.1 Автоматизація методів вимірювання
• 2.2 Комп’ютерна система вимірювання гальваномагнітних ефектів
• 2.3 Універсальна установка для вимірювання параметрів напівмагнітних напівпровідників у широкому температурному діапазоні
• 2.4 Кріостат
• 2.4.1 Опис тримача кріостата
• 2.5 Електромагніти
• 2.6 Апаратно-програмні комплекси для дослідження параметрів матеріалів і структур
• 2.6.1 LabjackU3
• 2.6.1.2 Короткий опис
• 2.6.1.3 Призначення установки
• 2.6.1.4 Основні технічні характеристики
• 2.6.1.5 Переваги/недоліки установки
• 2.6.2 UniLab
• 2.6.2.1 Короткий опис
• 2.6.2.2 Призначення установки
• 2.6.2.3 Основні технічні характеристики
• 2.6.2.4 Переваги/недоліки установки
• 2.6.3 ZetLab
• 2.6.3.1 Короткий опис
• 2.6.3.2 Призначення установки
• 2.6.3.3 Основні технічні характеристики
• 2.6.3.4 Переваги установки
• 2.7 Схема створеного стенду, принцип її роботи
• 2.7.1 Спосіб підсилення магнітного поля
• Розділ 3. Техніко-економічне обгрунтування ДКР
• 3.1 Розрахунок витрат на проектування
• 3.1.1 Розрахунок витрат на оплату праці
• 3.1.2 Відрахування на соціальні заходи
• 3.1.3 Розрахунок витрат на матеріали
• 3.1.4 Витрати на використання комп’ютерної техніки
• 3.1.5 Накладні витрати
• 3.1.6. Інші витрати
• 3.2 Визначення виробничої собівартості
• Розділ 4. Охорона праці
• Розрахунок заземлення
• Завдання № 2
• Провівши необхідні розрахунки вентиляції та заземлення, я прийшов до такого висновку:
• Висновки
• Список використаної літератури

Вступ

Електроніка в даний час є одним з найбільш домінуючих рушіїв технічного розвитку сучасного суспільства. Крім традиційно електронних галузей техніки — телекомунікації, інформаційно-вимірювальної та обчислювальної техніки чи спецтехніки, електронні прилади та пристрої на їх основі стали важливими засобами розвитку біології, медицини, індустрії розваг тощо. Впровадження сучасних досягнень електроніки у різні галузі науки і техніки передбачає інтенсифікацію та подальше підвищення рівня освіти. Базою освіти та науки на всіх їх рівнях — від середньої школи і до робіт науково-дослідних лабораторій є експериментальні дослідження. Однак проведення повноцінних експериментальних досліджень з використанням сучасних досягнень електроніки в багатьох випадках представляє собою значну проблему. Причин тут декілька. По-перше, коректна постановка задач експериментальних досліджень та їх проведення потребує достатньо високої кваліфікації виконавця у сучасній вимірювальній техніці. Однак, у віддалених від електроніки галузях (фізика, хімія, біологія, медицина тощо) така кваліфікація не завжди є характерною. По-друге, забезпечення лабораторій сучасною вимірювальною технікою, яка дозволяє не лише вимірювати сигнали, але й програмно формувати алгоритми вимірювання, задавати режими роботи об'єктів вимірювання та забезпечувати візуалізацію результатів досліджень також не завжди є достатнім. І, по-третє, ціна сучасних вимірювальних пристроїв, а особливо сумісних з персональними комп’ютерами, є надто високою, зокрема, вартість навіть самих простих вольтметрів, інтерфейсних плат та програмного забезпечення перевищує тисячі і навіть десятки тисяч доларів США. В свою чергу, висока ціна таких вимірювальних пристроїв часто стає суб'єктивним фактором на упереджене ставлення до них, що веде до їх обмеженого застосування в навчальних лабораторіях.

Розділ 1. Літературний огляд

1.1 Основні ефекти в напівпровідникових матеріалах, що виникають у магнітному полі

Відомо, що за наявності магнітного поля, накладеного на зразок, в якому протікає електричний струм та існує перепад температур, виникає 560 різного роду кінетичних ефектів. Основними з цих ефектів, які несуть багато корисної інформації про параметри і характеристики напівпровідникових матеріалів, є ефект Холла і магніторезистивний ефект. Тому нижче ми розглянемо саме ці два ефекти.

1.1.1 Ефект Холла

Ефект Холла відноситься до групи гальваномагнітних явищ і виникає тоді, коли на провідне середовище одночасно діють електричне і магнітне поля. Якщо зразок, в якому протікає електричний струм густиною j, помістити в магнітне поле з індукцією B, направлене перпендикулярно до напрямку струму, то в ньому виникає поперечне у відношенні до напрямків струму і магнітного поля електричне поле напруженості E_H, яке називається холлівським полем. Холлівське поле E_H зв’язано з густиною струму і магнітною індукцією співвідношенням

E_H = R j B (1)

Коефіцієнт пропорційності R в співвідношенні (1) називається коефіцієнтом Холла.

Фізичною причиною виникнення ефекту Холла є сила Лоренца, яка діє на рухомий електричний заряд у магнітному полі. Оскільки при пропусканні електричного струму через зразок електрони і дірки дрейфують у протилежних напрямках, то сила Лоренца відхиляє їх в одну і ту ж саму сторону внаслідок протилежності знаків електричного заряду електрона і дірки. Холлівське поле, яке виникає в результаті такого відхилення, буде мати, таким чином, різну полярність для напівпровідників n — і p — типу провідності, що дає можливість використовувати ефект Холла для визначення типу провідності напівпровідника.

В області домішкової провідності величина коефіцієнта Холла визначається концентрацією вільних носіїв заряду та величиною холл-фактора:

R_n= - r / en (2)

R_p= + r /ep (3)

У співвідношеннях (2) і (3) r - холл-фактор (для простоти він прийнятий однаковим для електронів і дірок, хоча в загальному випадку це не обов’язково так), R_n і R_{p -} коефіцієнт Холла для електронного і діркового напівпровідників, n і p — концентрація електронів і дірок.

Холл-фактор r є величиною безрозмірною і залежить від ступеня виродження носіїв заряду, механізму їх розсіювання, форми поверхонь постійної енергії та сили магнітного поля. Для напівпровідників з ізотропним параболічним законом дисперсії

(4)

у сильних магнітних полях, а також при сильному виродженні носіїв заряду незалежно від сили магнітного поля холл-фактор дорівнює одиниці. В слабких магнітних полях і невироджених носіях заряду r змінюється в межах від 1,18 для розсіювання на акустичних фононах до 1,94 при розсіюванні на іонізованих домішках. Таким чином, проводячи виміри в сильних магнітних полях або знаючи домінуючі механізми розсіювання, згідно співвідношень (2) чи (3) можна визначити концентрацію носіїв заряду за вимірами коефіцієнта Холла в області домішкової провідності. Якщо сильних магнітних полів досягнути не вдається, а домінуючі механізми розсіювання наперед не відомі, то вказані формули все одно дають можливість оцінити величину концентрації з максимально можливою похибкою не більше, ніж 100%.

В області змішаної провідності коефіцієнт Холла визначається співвідношенням:

(5)

де u_n і u_p — рухливість електронів і дірок відповідно.

В області власної провідності коефіцієнт Холла обернено пропорційний до концентрації власних носіїв заряду n_i

(6)

де b — це відношення рухливості електронів u_n до рухливості дірок u_p. Так як в напівпровідниках рухливість електронів, як правило, більша за рухливість дірок, то величина b> 1, із-за чого коефіцієнт Холла в області власної провідності завжди від'ємний.

Оскільки власна концентрація носіїв заряду безпосередньо зв’язана з шириною забороненої зони напівпровідника, то холлівські дослідження в області власної провідності дають можливість її визначити. При цьому необхідно пам’ятати, що хоча область власної провідності реалізується, як правило, при високих температурах, з експериментальних досліджень визначається значення ширини забороненої зони, екстрапольоване до 0К.

1.1.2 Геометрія зразків і положення контактів

ЕРС Холла часто вимірюють на пластинах прямокутної форми. Для прямокутної форми зразка розмірами ЕРС Холла визначають наступним чином:

(7)

(8)

де — коефіцієнт Холла; - сила струму, яка протікає через зразок.

Якщо для розмірності величин, які входять у дану формулу, використати одиниці системи СІ (вольт, ампер, метр і тесла), тоді коефіцієнт Холла буде мати розмірність:

(9)

Таким чином, для визначення коефіцієнта Холла необхідно виміряти холлівську різницю потенціалів, струм, який протікає через зразок, магнітну індукцію і геометричні розміри зразка в напрямку магнітного поля.

У відповідності з теорією ефекту Холла металеві контакти зі зразком, призначені для вимірювання ЕРС Холла, повинні мати малу площу, щоб не спотворювати лінії струму в зразку. Як контакт використовують металеві зонди. Застосовують також бокові відростки, виготовленні за допомогою ультразвукового або хімічного травлення (рис.1):

магнітне поле напівпровідниковий матеріал Рис. 1. Модель зразка для вимірювання ЕРС Холла [1]

Зразку і боковим відросткам іноді надають гантелеподібну форму. При цьому технологія виготовлення контактів спрощується, полегшуються операції металізації і плавлення. Такі контакти не спотворюють ліній струму в зразку і за рахунок більшої площі мають малий опір контакту і більш низький рівень шумів. Наявність декількох бокових відростків дозволяє одночасно з ЕРС Холла виміряти питомий опір зразка.

Співвідношення геометричних розмірів зразка і місцезнаходження контактів можуть суттєво впливати на вимірювальну ЕРС Холла.

Описаний вище метод вимірювання ЕРС Холла і питомого опору на пластинах у формі паралелепіпеда чутливий до розмірів контактів. Тому для зменшення впливу контактів вимірювання іноді проводять на зразках, які мають форму, показану на рис.2:

Рис. 2 Зразки для вимірювання ЕРС Холла [1]

Дані форми зразків умовно можна розділити на дві групи:

До однієї групи (рис. 2, а-б) відносяться зразки у формі кленового листка, тобто маючи таку геометричну форму, при якій протяжність границі витягнута настільки, що контакти кінцевих розмірів вносять допустимо малу похибку в результати вимірювань.

Іншу групу (рис. 2, в-е) становлять симетричні зразки правильної геометричної форми з видовженими контактами, для яких вплив контактів на результати вимірів можуть бути розраховані теоретично.

1.1.3 Методи експериментального дослідження ефекту Холла

Для експериментальних досліджень ефекту Холла була розроблена величезна кількість різних методів і підходів. Головний критерій, за якими вони відрізняються між собою, полягає у тому, який струм і яке магнітне поле використовуються при вимірюваннях. За цим критерієм можна виділити чотири основних методи:

1. Метод постійного струму і постійного магнітного поля.

2. Метод змінного струму і постійного магнітного поля.

3. Метод постійного струму і змінного магнітного поля.

4. Метод змінного струму і змінного магнітного поля.

У лабораторній практиці найбільш широко використовується метод постійного струму і постійного магнітного поля. Тому саме цей метод розглянемо більш детально.

Метод постійного струму і постійного магнітного поля.

Даний метод дослідження ЕРС Холла на даний час є дуже простим і найбільш поширеним. Схема вимірювання ЕРС Холла за цим методом показана на наступній схемі (рис.3):

Рис. 3. Схема вимірювання ЕРС Холла [1]

Від джерела постійної напруги «ДН» через зразок прямокутної форми пропускають постійний струм. Зразок поміщають між полюсами магніту або електромагніту, який створює в робочій області магнітну індукцію певної величини. Зміну магнітної індукції в робочій області магніту здійснюють, міняючи відстань між полюсами магніту. У випадку електромагніту величину індукції змінюють, змінюючи струм котушок.

Щоб виключити вплив контактних опорів на результати вимірів, необхідно використати компенсаційний метод вимірювання ЕРС Холла або застосовувати електронні вольтметри із високим вхідним опором.

При вимірюванні ЕРС Холла різниця потенціалів між контактами складається з багатьох складових, чотири з яких є найважливішими: ЕРС Холла, термо ЕРС поперечного термогальваномагнітного ефекту, ЕРС термогальванічного ефекту, і термо ЕРС термомагнітного ефекту .

Існує ще одна складова, яка впливає на вимірюючу різницю потенціалів, — напруга, яка виникає за рахунок неточного положення холлівських контактів.

В загальному випадку різниця потенціалів на контактах рівна сумі п’яти вище вказаних складових. Систему рівнянь для різниці потенціалів, враховуючи всі можливі напрямки струму і магнітного поля, можна записати наступним чином:

а); (10)

б); (11)

в); (12)

г). (13)

Необхідність виконання чотирьох вимірів, яке потребує доволі тривалого часу, є основним недоліком даного ефекту.

Для того, щоб через високоомний зразок пропустити необхідний струм, збільшують прикладену до зразка напругу, що в свою чергу збільшує різницю потенціалів. Якщо ця різниця потенціалів значно перевищує ЕРС Холла, тоді точність вимірювання може зменшитись настільки, що зробить неможливим її вимірювання. Тому намагаються не тільки зменшувати нееквіпотенціальність контактів за рахунок їх точної установки один біля одного, але і здійснити їх електричне балансування.

Рис. 4 Схеми усунення нееквіпотенціальності холлівських контактів [1]

Нееквіпотенціальність холлівських контактів можна усунути за допомогою трьохзондової схеми вимірювання (рис.4а). Якщо потенціал зонду 1 менший за потенціал зонду 3, але більший за потенціал зонду 2, то на потенціонометрі можна знайти точку, потенціал якої рівний потенціалу зонду 1. Трьохзондову схему використовують при вимірюванні ЕРС Холла на низькоомних зразках.

На рис.4б представлена мостова схема вимірювання холлівської різниці потенціалів. Частинки зразка зліва і справа від зонду 1 разом із резисторами створюють плече мосту. ЕРС Холла вимірюють між зондом 1 і точкою 2. Потенціал точки 2 можна зробити рівним потенціалу зонду 1 регулюючи опори. До недоліків даної схеми відноситься зменшення чутливості за рахунок вимірювання половини ЕРС Холла.

Схему, наведену на рис.4в, називають схемою зміщення еквіпотенціалів. Як видно із рисунку, один із струмових контактів представляє собою, по суті, два окремих контакти.

За допомогою потенціометра можна змінювати протікаючі через ці контакти струми і таким чином впливати на розподіл електричного поля вздовж зразка, добиваючись усунення впливу нееквіпотенціальності контактів.

Схема із окремим джерелом компенсації, зображена на рис.4г, дозволяє усунути нееквіпотенціальність контактів за рахунок компенсації. В даній схемі опір можна вибрати невеликим, щоби не зменшувати чутливості вимірювальної схеми.

1.1.4 Магніторезистивний ефект

Магніторезистивний ефект (магнітоопір) — зміна електричного опору матеріалу в магнітному полі. Вперше ефект був виявлений у 1856 році Вільямом Томсоном. Даний ефект виникає внаслідок викривлення шляху носіїв заряду в магнітному полі і відхиленням напрямку їх руху від напрямку поздовжнього електричного поля. В зразку скінчених розмірів електрична сила, яку створює електричне поле Холла, надає компенсуючу дію на силу Лоренца, в результаті чого магніторезистивний ефект виражений гірше. Чим менше відношення довжини зразка до його ширини (це пов’язано із шунтуючою дією струмових контактів на це поле), тим менша компенсуюча дія поля Холла.

Відносний магнітоопір, обумовлений викривленням шляху носіїв заряду в магнітному полі, при :

(14)

Для зразка скінченних розмірів відносний магнітний опір вимірюють при

(15)

На відміну від (14) магнітоопір, який визначений в (15), називають геометричним магнітоопором.

В обох випадках для напівпровідника з одним типом носіїв заряду магнітоопір в області слабких магнітних полів пропорційним значенням Ці величини виражаються через коефіцієнти, які, в свою чергу, залежать від механізму розсіювання носіїв заряду.

Для електронного напівпровідника:

(16)

(17)

де (18)

(19)

В області сильних магнітних полів геометричний магнітоопір зберігає квадратичну залежність від, тоді як магнітоопір (14) насичується до значення, яке не залежить від рухливості носіїв заряду. Для напівпровідників з великим значенням рухомості носіїв заряду вже при невеликих значеннях магнітної індукції реалізується умова сильного магнітного поля, тому для таких напівпровідників метод геометричного магнітоопору як метод визначення характеристик матеріалу, кращий.

Розділ 2. Оригінальна частина

2.1 Автоматизація методів вимірювання

Процес вимірювання провідності, ефекту Холла і магніторезистивного ефекту методом постійних полів пов’язаний багаторазовими перемиканнями напрямків полів і відповідною комутацією вимірювальних процесів (особливо в методах Ван дер Пау), установкою й регулюванням полів, а також процесів, що управляють температурою. Тому з розвитком вимірювальних схем робилися спроби автоматизувати процес вимірювань.

Спочатку вводилися програмні комутаційні пристрої, потім — програмні регулятори температури на основі резистивних деталей, керованих програмним комутаційним пристроєм або самописцем, на стрічці якого записаний хід температури, і т.д. Однак якісно новий стрибок рівня автоматизації прийшов із появою комп’ютерів. Стало можливим керувати практично всіма процесами вимірювання за гнучкою програмою в діалоговому режимі, зокрема температурою зразка за заданим в програмі значенням і заданим законом регулювання, причому закону, адаптованому до контрастних температурних умов без стороннього терморегулятора. Використання цифрової техніки (наприклад, цифрових вольтметрів) полегшило умови погодження приладів з комп’ютерами. Комп’ютерна автоматизація не тільки спрощує і прискорює процес вимірювань, а й підвищує точність і відтворюваність результатів вимірювань.

2.2 Комп’ютерна система вимірювання гальваномагнітних ефектів

Принцип комп’ютерної автоматизації більшості систем для вимірювання гальваномагнітних ефектів узагальнюється у вигляді спрощеної схеми:

Рис. 5. Схема вимірювання гальваномагнітних ефектів: 1 — виконавчий пристрій; 2 — зразок із кріостатом і магнітом; 3 — комутаційний пристрій; 4 — ЦАП (цифрово-аналоговий перетворювач); 5 — АЦП (аналогово-цифровий перетворювач); 6 — блок живлення; 7 — мікрокомп'ютер; 8 — реєстратор сигналів

У відповідності з програмою, закладеною в комп’ютері 7, кодові сигнали через блок живлення 6 і при необхідності через цифрово-аналоговий перетворювач (ЦАП) 4, що перетворює кодові сигнали в аналогові, надходять на виконавчий пристрій 1, наприклад, джерело живлення зразка, джерело живлення магніту, джерело живлення кріостата-нагрівача і т.д. Команди з комп’ютера надходять на комутаційний пристрій 3, керуючий, наприклад, послідовністю включення контактів зразка Ван дер Пау. Вимірювальні цифрові прилади 5, що являються перетворювачами аналогового сигналу в код, передають вимірювальні сигнали через блок живлення 6 в мікрокомп'ютер 7. Після математичної обробки сигналів у комп’ютері результати вимірювань реєструються пристроєм 8.

Відповідно до вище поданого принципу, була розроблена універсальна комп’ютерна система вимірювання гальваномагнітних ефектів:

Рис. 6 Комп’ютерна система вимірювання гальваномагнітних ефектів [1]: 1 — кріостат; 2 — зразок; 3 — електромагніт; 4 — перетворювач струм — напруга; 5 — комутаційний пристрій; 6 — підсилювач; 7 — цифровий вольтметр; 8 — джерело постійної напруги; 9 — джерело постійного струму; 10 — 13,15 — ЦАП (цифрово-аналоговий перетворювач); 14 — мікроконтролер; 16 — самописець, 17 — мікрокомп'ютер; 18 — реєструючий пристрій.

Мікрокомп'ютер 17 керує температурою зразка (канал 1−6-10−14), магнітним полем (канал 3−9-13−14), напругою (струмом) на зразку (канал 4−8-12−14), комутацією контактів зразка (канал 4−5-14), записом температури зразка (канал 1415−16). Сигнали, що знімаються зі зразка і термопари, передаються на мікрокомп'ютер (канал 4−5-7−11−14). Після перетворення чи математичної обробки вони надходять на реєструючий пристрій 18.

2.3 Універсальна установка для вимірювання параметрів напівмагнітних напівпровідників у широкому температурному діапазоні

Цікавий варіант установки для вимірювання параметрів напівмагнітних напівпровідників у широкому температурному діапазоні був запропонований авторами роботи. Установка дає змогу в діапазоні температур від гелієвих до кімнатних вимірювати параметри напівмагнітних напівпровідників такими методами: метод Холла, метод електронного парамагнітного резонансу, індукційний метод вимірювання магнітної сприйнятливості та метод порушеного повного внутрішнього відбиття. Характеристиками установки є широкий діапазон температур, універсальність і максимальна автоматизація експерименту.

Вимірювальний комплекс складається з таких головних блоків: рефрижератор безперервного потоку, вакуумне обладнання, потрібне для створення вакууму у кожусі рефрижератора, кріогенне обладнання для досягнення гелієвих температур, система вимірювання та керування температурою, система вимірювання та керування постійним магнітним полем. Для реалізації кожного з методів дослідження параметрів напівпровідників створено спеціальні вимірювальні модулі та схеми реєстрації сигналів, що пов’язані з фізичними характеристиками напівпровідників. Зокрема, реалізовано одночасне вимірювання питомого опору та сталої Холла за методом Ван дер Пау, а також магнетоопору двох зразків. Нижче, на рис. 7, показана схема комплексу, яку використовують для вимірювання параметрів зразків методом Холла.

Запуск рефрижератора починається з одержання вакууму. Потім відбувається охолодження до необхідної температури та приєднання системі стабілізації. Під час роботи підбирають економічний режим.

Після виходу на відповідний режим температурної стабілізації та досягнення необхідної температури виконують вимірювання.

Рис. 7. Схема вимірювання параметрів напівпровідників методом Холла: 1 — нагрівачі; 2 — зразки; 3 — датчики температури; 4 — комутаційна схема; 5 — блок вимірювання температури; 6 — блок сполучення; 7 — блок живлення; 8 — блок вимірювання магнітного поля; 9 — блок реверса магнітного поля; 10 — електромагніт; 12 — блок живлення; 11 — датчик магнітного поля. [2]

Для керування роботою установки та вимірювання аналогових сигналів використовують плату АЦП-ЦАП L761 фірми L-Card. Ця плата має 32-канальний 14-розрядний АЦП, 2-канальний 12-розрядний ЦАП, а також 16-цифрові вхідні і 16-цифрові вихідні лінії. Плата L-Card забезпечує введення аналогового сигналу з частотою до 125 кГц і точністю 0.1−0.2% залежно від діапазону вимірювання. На платі є попередній підсилювач із коефіцієнтами підсилювання 1, 4, 16 чи 64, що перемикаються програмно. У базовий комплект програмного забезпечення (ПЗ) входить програмний драйвер керування для сигнального процесора плати, а також драйвер і динамічна бібліотека функцій керування платою. Установка працює у широкому інтервалі температур (4.2−300 К) у рефрижераторі безперервного потоку зі стабілізацією температури з точністю 0.1 К. Для вимірювання температури в діапазоні 77−300 К використовують платинові датчики, а в діапазоні 4.2−77 К — вуглецеві. Зміну температури та її стабілізацію досягають за допомогою створення безперервного потоку холодного газу, що випаровується, та нагрівальних елементів, які розташовані на дні робочої камери.

Процеси вимірювання температури та її стабілізації відбуваються програмним шляхом за допомогою пропорційно-інтегрально алгоритму.

Під час реєстрації магнітопольових залежностей керування магнітним полем та його стабілізація в точці вимірювання забезпечуване системою керування зі зворотним зв’язком у діапазоні 100−7000 Гс з точністю 1.5 Гс. Для зміни напряму магнітного поля передбачено блок реверсу магнітного поля, також керованого програмним шляхом. Керування експериментом і записування даних відбувається за допомогою програмного забезпечення мовою програмування Borland С++ 5.02 з використанням бібліотеки АРІ функцій драйвера плати L-Card.

Програмне забезпечення виконано у вигляді єдиного програмного модуля, що дало змогу об'єднати експерименти єдиними інтерфейсом і функціями вибору параметрів, а також мінімізувати витрати часу під час розробки програми. Програмне забезпечення підтримує виконання чотирьох видів експериментів: дослідження ефекту Холла і питомої провідності, вимірювання магнітної сприйнятливості, записування лінії ЕПР та вимірювання параметрів магнітоплазмових хвиль за методом ППВВ. На підставі вимірюваних у ході експерименту даних програмне забезпечення установки обчислює значення шуканих фізичних величин і виводить їх у зручному вигляді на екран комп’ютера. Це дає змогу експериментаторові, не витрачаючи часу на опрацювання результатів вимірювання, коректувати параметри експерименту, не перериваючи його. Такий підхід дає змогу значно підвищити швидкість вимірювань.

За допомогою описаної установки ми маємо змогу досліджувати температурні та польові залежності коефіцієнта Холла, провідності напівмагнітних напівпровідників.

2.4 Кріостат

За принципом роботи кріостати можна умовно розділити на дві групи: рідинні і газові. У рідинних кріостатах низька температура на зразку в основному створюється за допомогою мідного штиря, впаяного в дно металевого посудини з рідким холодоносієм (найчастіше азотом або гелієм). На нижньому кінці мідного штиря закріплюється зразок. Проміжні температури (між температурою рідкого холодоносія і кімнатної) досягаються підігрівом мідного стрижня, розташованого поблизу зразка, за допомогою електроспіралі. Для зменшення витрати холодоносія і зменшення потужності нагріву в розрив мідного стрижня близько нагрівача вводиться тепловий буфер, який представляє собою відрізок менш теплопровідного матеріалу, наприклад латуні. Вся система розміщується у вакуумну оболонку.

Рис. 8 Конструкція кріостата [1]

Схематичний вигляд конструкції газового азотного кріостату

Останнім часом все більшу популярність завойовують газові - проточні кріостати, в яких охолодження, а іноді і нагрівання здійснюються обдуванням газоподібним холодоагентом самого зразка або продувкою газоподібного холодоносія через порожнину в столику-тримачі зразка. Однак конструкції таких кріостатів досить складні і іноді містять до трьох каналів регулювання температури.

Оригінальна і відносно проста конструкція азотного газового кріостата, виконаного у вигляді приставки до транспортної посудини Дьюара АСД-15 (СДП-16) представлена на рис. 8.

Кріостат працює так. При роботі нагрівача 12 підвищується тиск азоту в посудині Дьюара 11, в результаті рідкий азот 10 піднімається в заглушеній трубці 8 до рівня отвору 7. Газоподібний азот рухається по центральній трубці 9 (його шлях вказаний стрілками) і, охолоджуючись в коаксіалі 8 до температури рідкого азоту, обдуває мідний тримач 2 із зразком 1. Потім по коаксіальній реверсній магістралі 5 він виходить в атмосферу. Температура потоку змінюється електричним нагрівачем 4. На трубці 5 закріплений роз'ємний теплової екран 3, температура якого близька до температури тримача. Роз'єм 6 служить для виведення проводів, роз'єм 13 — для підключення до вакуумного насосу. Температура зразка легко контролюється терморегулятором, реалізованим на основі мікро ЕОМ, з похибкою ± 0,05 К в діапазоні температур 77.500 К. При зміні температури на кілька градусів тривалість перехідного процесу всього близько 60 с. Очевидно, що за таким принципом можна виготовити і гелієвий кріостат.

2.4.1 Опис тримача кріостата

Для закріплення дослідного кристалу використовуються підпружинені контакти 2 (див. рис.9), довжину яких можна регулювати, що дозволяє міняти розміри досліджуваного об'єкта, також біля них розташована термопара.

Після закріплення кристалу між контактами, встановлюємо на групу контактів нагрівальний лемент 1 (рис.9), даному випадку це є трубка на якій намотаний резистивний провідник. Після цього нагрівальний елемент за допомогою проводів підключається до джерела струму. Все це герметично закривається футляром 5 (рис.9) на штатив 3 (рис 9. та 10) за допомогою замка 4 (рис.9). За допомогою трубки 1 (рис.10) з середини футляра викачується повітря. Всі параметри досліджуваного елемента знімається за допомогою групи контактів 2 (рис.10) які з'єднані з підпружиненими контактами, нагрівальним елементом та термопарою.

Рис. 9 Конструкція кріостата (передня частина)

Рис. 10 Конструкція кріостата (задня частина)

2.5 Електромагніти

Електромагніт (англ. electromagnet, нім. Elektromagnet m) — пристрій, що створює магнітне поле при проходженні електричного струму. Звичайно електромагніт складається з обмотки і феромагнітного осердя, який набуває властивостей магніту при проходженні по обмотці струму.

Обмотки електромагнітів виготовляють з ізольованого алюмінієвого або мідного дроту, хоча є і надпровідні електромагніти. Магнітопроводи виготовляють з магніто м’яких матеріалів — звичайно з електротехнічної або якісної конструкційної сталі, литої сталі і чавуну, залізо — нікельових і залізо-кобальтових сплавів.

Електромагніти розрізняють також за рядом інших ознак: за способом включення обмоток: з паралельними і послідовними обмотками; за характером роботи — що працюють у постійному, імпульсному і короткочасному режимах; за швидкістю дії - швидкодіючі і сповільненої дії і т.д.

Найпростішим електромагнітом є провідник, намотаний на циліндричну котушку — соленоїд. Набагато сильніше магнітне поле можна створити, вставивши в котушку осердя з феромагнітного матеріалу. При цьому магнітне поле котушки намагнічує осердя і те, в свою чергу, створює додаткове магнітне поле.

2.6 Апаратно-програмні комплекси для дослідження параметрів матеріалів і структур

2.6.1 LabjackU3

Рис. 11 Входи/виходи приладу

Рис. 12 Габаритні розміри приладу

2.6.1.2 Короткий опис

Модуль LabJackU3 — універсальна вимірювальна міні - лабораторія, невелика за розмірами, але в той же час багатофункціональна. Живлення даного пристрою здійснюється за допомогою USB інтерфейсу типу 1.½.0.

Для повноцінної роботи приладу нам необхідно лише встановити драйвери для пристрою і підключити прилад до комп’ютера за допомогою USB кабелю, який входить в комплект разом із приладом. Сумарною частота дискретизації приладу становить до 20 кГц.

Сценарій запису (канали, частота дискретизації, режим запису і т.д.) задається з комп’ютера програмою за допомогою автономного реєстратора.

2.6.1.3 Призначення установки

Модуль LabJackU3 призначений для вимірювань параметрів сигналів в широкому частотному діапазоні, що надходять з різних первинних джерел.

Цифровий (роз'єм DB-15) і аналогові виходи (роз'єми AIN) можуть використовуватися в ланках керування різними виконавчими механізмами.

2.6.1.4 Основні технічні характеристики

Ш 16 гнучких роз'ємів входу / виводу (можуть використовуватися як цифровий вхід, цифровий вихід або аналоговий вхід);

Ш 2 таймери;

Ш 2 Лічильники (32-біт);

Ш 4 додаткові роз'єми цифрового входу / виходу;

Ш 16 роз'ємів аналогового входу (0−2.4 0−3.6);

Ш 2 аналогових виходи (10 біт, 0−5 вольт);

Ш підтримка SPI, I2C, і асинхронного послідовного протоколу (MasterOnly);

Ш підтримка програмного забезпечення або устаткування за часом придбання;

Ш максимальна швидкість потоку вводу 2,5−50 Гц;

Ш час відгуку менше 1 мс;

Ш вбудовані гвинтові клеми для деяких сигналів;

Ш OEM-версія доступна;

Ш підтримка інтерфейсу USB 2.0/1.1;

Ш працює за допомогою USB-кабелю;

Ш драйвери для Windows, Linux, Mac і PocketPC;

Ш у комплект із пристроєм та драйверами входить USB-кабель і викрутка;

Ш габарити приладу (75мм х 115 мм х 30мм).

Гнучка система входу / виходу

Перші 16 ліній входу/ виходу (FIO та EIO портів) на LabjackU3 можуть бути індивідуально налаштовані як цифровий вхід, цифровий вихід або аналоговий вхід. Крім того, дві з цих ліній можуть бути налаштовані як таймер або як лічильник.

Перші 8 гнучких ліній входу / виходу (FIO0-FIO7) розміщені на вбудованих гвинтовихклемах. Решта 8 гнучких ліній входу /виходу (EIO0-EIO7) доступні на DB15 роз'ємі.

Аналогові входи

Labjack U3 має 16 аналогових входів, доступних на гнучких лініях входу/виходу.

Аналоговий вхід (розрядність12-біт).

Діапазон несиметричних низьковольтних аналогових входів на U3, як правило, 0−2.4 вольт або 0−3.6 вольт, і спектр диференціальних аналогових входів, як правило, ± 2,4 Вольт.

Для дійсних вимірювань напруги на кожен аналоговий вхід-вихід, відповідно до заземлення, повинна бути в межах від — 0,3 до 3,6 вольт.

Аналогові виходи

LabjackU3 має 2 аналогових виходи (REF0 і DAC1), які доступні на гвинтових клемах. Кожен аналоговий вихід може бути встановлений на напругу від 0 до 5 вольт з розрядністю 10-біт.

Аналогові виходи оновлюються в режимі команда/відповідь з характерним часом оновлення 0.6−4.0 мс в залежності від конфігурації зв’язку. Аналогові виходи мають фільтри 3 дБ з відсіченням близько 16 Гц.

Цифровий вхід/вихід

Команда читання/запис зазвичай займає 0.6−4.0 мс в залежності від конфігурації зв’язку. Перші 16 цифрових входів можна також прочитати в апаратному вхідному потоці, де всі 16 входів вважаються одним каналом потоку.

Таймери

До 2 гнучких ліній входу/виходу можуть бути налаштовані таймери. Вони забезпечують можливість встановлення часу вимірювань потрібних нам залежностей.

Лічильники

Лічильник прикріплюється до ліній входу/виходу (розрядність 32 біт), що надає нам змогу визначити час вимірювання.

Захист ліній входу і виходу

Всі лінії входу/виходу на U3 захищені від незначних перепадів напруги. FIO лінії цифрового входу можуть витримати постійну напругу до ± 10 вольт, а EIO/CIO лінії - до ± 6 вольт.

2.6.1.5 Переваги/недоліки установки

Ш універсальність;

Ш надійність;

Ш наявність програмного забезпечення;

Ш малі габарити;

Ш наявність ЦАП (надає змогу за допомогою ПК керувати процесом керування експериментом);

Ш є режим самописця;

Ш невисока ціна пристрою.

Недоліки:

Ш програмне забезпечення, інтерфейс та інструкція лише на іноземній мові (англійська або німецька);

Ш доволі великий час доставки (3−4 тижні);

Ш відсутність сервісного центру в межах СНД.

2.6.2 UniLab

2.6.2.1 Короткий опис

Комплекс UniLab є IBM-сумісним універсальним засобом лабораторних експериментів та досліджень, і зокрема:

Ш електронних приладів та пристроїв;

Ш елементної бази радіотехніки та автоматики;

Ш вимірювальної та сенсорної техніки;

Ш електрофізичних та електрохімічних процесів;

Ш процесів теплообміну;

Ш процесів механіки.

Комплекс UniLab є оригінальною розробкою, яка відповідає вимогам сучасної інформаційно-вимірювальної техніки.

2.6.2.2 Призначення установки

Універсальний модуль становить основу комплексу. Модуль виконує наступні функції:

Ш формування програмованих вихідних напруг по трьох каналах;

Ш вимірювання вхідних напруг по трьох уніполярних каналах;

Ш підсилення напруги по трьох уніполярних каналах з фіксованими коефіцієнтами підсилення;

Ш вимірювання напруги по одному диференційному каналу;

Ш підсилення напругими диференційного каналу з програмним керуванням коефіцієнту підсилення;

Ш формування однобітного вхідного та чотирибітного вихідного сигналу;

Ш формування стабілізованої двополярної напруги;

Ш двостороннього зв’язку з комп’ютером.

Програмне забезпечення керує комплексом та виконує функції:

Ш формування опису алгоритму та параметрів процесу дослідження;

Ш формування команд керування універсальним модулем;

Ш приймання інформації з універсального модуля;

Ш візуалізації результатів досліджень.

Спеціалізовані вузли забезпечують адаптацію об'єктів дослідження чи відповідних засобів вимірювання досліджуваних об'єктів до універсального модуля.

Об'єктами дослідження виступають електронні пристрої та прилади, елементна база та вузли автоматики, радіотехніки, а засобами вимірювання — первинні перетворювачі вимірювальної величини, сенсорні пристрої тощо.

Крім того, в склад спеціалізованих вузлів можуть входити актюатори (світлодіоди, малогабаритні електромагніти тощо), додаткові підсилювачі та перетворювачі,інші допоміжні елементи.

Блок живлення забезпечує стабілізоване живлення універсального модуля та спеціалізованих вузлів.

2.6.2.3 Основні технічні характеристики

2.6.2.4 Переваги/недоліки установки

Переваги:

Ш універсальність;

Ш простота в користуванні;

Ш сумісність, як з найбільш сучасними моделями персональних комп’ютерів, так і з комп’ютерами попередніх поколінь;

Ш наявність методичних вказівок до лабораторних робіт практично для всіх учбових технічних дисциплін;

Ш низька ціна.

Недоліки:

Ш відсутність маніпуляцій установкою через USB — порт

2.6.3 ZetLab

2.6.3.1 Короткий опис

Модуль ZET 210 — універсальна вимірювальна лабораторія на долоні, невелике за розмірами, але в той же час багатофункціональний пристрій. Для включення модуля ZET 210 не треба розкривати комп’ютер — підключення до ЕОМ та живлення модуля здійснюється по шині USB 2.0. Підключаємо перехідник на роз'єм типу BNC — і готовий осцилограф! Підключаємо клемну колодку — і можна проводити вимірювання і аналіз електричних сигналів! Адже в комплект поставки ZET 210 вже входить базове програмне забезпечення ZETLab.

Цифровий (роз'єм DB-15) і аналоговий виходи (роз'єм DB-25) можуть використовуватися в ланцюгах керування різними виконавчими механізмами.

Додатково вимірювальний прилад може комплектуватися флеш-накопичувачем. З цією опцією модуль ZET 210 перетворюється в автономний реєстратор (з сумарною частотою дискретизації до 20 кГц). Сценарій запису (канали, частота дискретизації, режим запису і т.д.) задається з комп’ютера програмою автономний реєстратор. При подачі живлення на модуль від блоку акумуляторів або перетворювача 220В>5 В, модуль працює автономно, без комп’ютера. Для подальшої обробки записаних тимчасових реалізацій модуль АЦП-ЦАП підключається до ПК по шині USB 2.0 і працює в режимі відтворення сигналів з файлів. еZETLab

2.6.3.2 Призначення установки

Модуль АЦП / ЦАП ZET 210 призначений для вимірювань параметрів сигналів в широкому частотному діапазоні (з частотою дискретизації до 400 кГц), що надходять з різних первинних перетворювачів.

2.6.3.3 Основні технічні характеристики

Аналоговий вхід (АЦП)

Ш 16 синфазних / 8 диференціальних входів;

Ш сумарна частота перетворення 500 кГц;

Ш 16 розрядів АЦП;

Ш максимальна вхідна напруга / струм ± 7 В;

Ш вхідний опір — 2 кОм;

Ш захист входів при включеному живленні ± 30 В;

Ш захист входів при вимкненому живленні ± 30 В;

Ш вхідна ємність — 20 пФ;

Ш коректна робота в багатоканальному режимі забезпечується при сумарній частоті перетворення не більше 400 кГц.

Цифрово-аналоговий вихід (ЦАП)

Ш 2 синфазних виходи;

Ш сумарна частота перетворення за всіма включеним каналах — 500 кГц

Ш максимальна вихідна напруга ± 2,5 В;

Ш кількість розрядів ЦАП 14.

Цифровий вхід / вихід

Ш Кількість біт на вхід / вихід: 14 біт;

Ш тип логіки: TTL.

Додаткові характеристики

Ш Габарити: 90×110×35 мм.

Ш Вага 0,2 кг.

2.6.3.4 Переваги установки

Ш універсальність;

Ш надійність;

Ш наявність програмного забезпечення;

Ш малі габарити;

Ш можливість керувати приладом дистанційна (за допомогою Bluetooth);

Ш наявність ЦАП (надає змогу за допомогою ПК керувати процесом керування експериментом);

Ш є режим самописця

Ш порівняно низька ціна пристрою

2.7 Схема створеного стенду, принцип її роботи

Для правильної роботи комп’ютеризованого вимірювального стенду (КВС) потрібно його правильно скласти. Тут вказаний короткий опис та блок-схема розробленого мною стенду (Рис. 19).

Для зручності на блок-схемі всі системи поділені на окремі блоки (кожен блок іншим кольором), які в виконують різні види роботи. Також я позначив напрямки руху сигналів, які також для зручності зображені різним кольором. Отже перед зануренням кріостат з досліджуваним напівпровідниковим кристалом у рідкий азот, перевіряється якість контактів. Після чого перевіряються контакти проводів які забезпечуватимуть передачу сигналу температури, ВАХ напівпровідника та ще одна пара проводів яка дозволить керувати нагрівальним елементом, до блока АЦП-ЦАП (Рис. 13). Далі включається ПК та АЦП-ЦАП пристрій, запукається програмне забезпечення.

Після цього потрібно занурювати штатив в рідкий азот (при цьому дотримуючись правил безпеки) та зачекати декілька хвилин, для повного охолодження кристалу. Коли кристал повністю охолов, починаються робити заміри.

Рис. 13 Блок схема комп’ютеризованого вимірювального стенду

Умовні позначення: М — монітор; ПК — персональний комп’ютер; АЦП — аналогово-цифровий перетворювач; ЦАП — цифрово-аналоговий перетворювач; ЕМ — електромагніт; ТП — термопара; КНК — контакти напівпровідникового кристалу.

Електричні сигнали з кристалу зчитуються за допомогою АЦП та оцифровуються. Далі по data кабелю передаються на ПК (показано коричневими стрілками), де за допомогою програмного забезпечення розшифровуються, зберігаються та виводяться на екран. Відбувається це таким чином: з ПК за допомогою програмного забезпечення подається цифровий сигнал на ЦАП, де він за допомогою драйверів розшифровується та перетворюється в аналоговий сигнал, який далі надходить до електромагніту. Струм через ЕМ зростає і відповідно властивості магнітного поля починають змінюватись.

2.7.1 Спосіб підсилення магнітного поля

Щоб утворити велике за величиною магнітне поле, нам потрібно доволі великі струми, які живлять електромагніт. Оскільки ЦАП, вибраного мною приладу Z210, на виході подає 20 мА, то цього нам невистачить навіть на створення слабкого магнітного поля. Для того щоб це виправити потрібно в коло між ЦАП та електромагнітом підключити ще один пристрій. Ним буде блок живлення електромагніту, з функцією керування силою струму. Керування цим блоком буде здійснюватись вручну або за допомогою ПК.

Блок-схема підсилення магнітного поля буде виглядати так:

Рис. 14 Блок-схема підсилення магнітного поля

Умовні позначення: ПК — персональний комп’ютер; ЦАП — цифрово-аналоговий перетворювач; БЖ — блок живлення; ЕМ — електромагніт.

Блок живлення дозволить отримати великі струми до 10 ампер, відповідно і сила магнітного поля, яка виникне у електромагнітні - зросте.

Розділ 3. Техніко-економічне обгрунтування ДКР

Завданням бакалаврської кваліфікаційної роботи є «Розробка комп’ютеризованого вимірювального стенду для дослідження магнітопольових змін параметрів напівпровідникових матеріалів і наноструктур» .

3.1 Розрахунок витрат на проектування

Витрати на проектування комп’ютеризованого стенду розраховуються шляхом складання калькуляції кошторисної вартості проектних робіт за наступними статтями:

витрати на оплату праці;

відрахування на соціальні заходи;

матеріали;

витрати на використання комп’ютерної техніки;

накладні витрати;

інші витрати.

3.1.1 Розрахунок витрат на оплату праці

До цієї статті належать витрати на основну та додаткову заробітну плату науковому керівнику, студенту, консультанту з питань економіки, консультанту з питань охорони праці, обчислені за посадовими окладами та відрядними розцінками для робітників, включаючи преміальні виплати. Вихідні дані наводяться у таблиці 1.

Таблиця 1

Вихідні дані для розрахунку витрат на оплату праці

Витрати на оплату праці розробників проекту визначаються за формулою:

де n_ij — чисельність розробників і-ої спеціальності j-го тарифного розряду, які приймають участь в проектуванні, чол.; t_ij — час, котрий затрачений на розробку проекту співробітника і-ої спеціальності j-го тарифного розряду, днів; C_{ij -} денна заробітна плата і-ої спеціальності j-го тарифного розряду, грн., яка визначається за формулою:

де C_{ij -} основна місячна заробітна плата розробника і-ої спеціальності j-го тарифного розряду, грн.; h — коефіцієнт, що визначає розмір додаткової заробітної плати (при умові наявності доплат); р — середня кількість робочих днів у місяці (приймаємо 21 р. д.).

Таблиця 2

Розрахунок витрат на оплату праці

3.1.2 Відрахування на соціальні заходи

Величну відрахувань у спеціальні державні фонди визначають у відсотковому співвідношенні від суми основної та додаткової заробітної плати. Згідно діючого нормативного законодавства сума відрахувань у спеціальні державні фонди складає 36,2% від суми заробітної плати:

грн.

3.1.3 Розрахунок витрат на матеріали

До цієї статті належать витрати на:

а) основні та допоміжні матеріали;

б) покупні інструменти, пристрої та інші засоби та предмети праці;

в) покупні напівфабрикати та комплектуючі вироби, які використовуються для проведення проектних робіт

У таблиці 3 наведено перелік купованих виробів і розраховані витрати на них.

Таблиця 3

Розрахунок витрат на куповані вироби

3.1.4 Витрати на використання комп’ютерної техніки

Витрати на використання комп’ютерної техніки включають витрати на амортизацію комп’ютерної техніки, витрати на користування програмним забезпеченням, витрати на електроенергію, що споживається комп’ютером. За даними обчислювального центру НУ «Львівська політехніка» для ЕОМ типу ІВМ РС/АТХ вартість години роботи становить 4,5 грн. Середній щоденний час роботи на комп’ютері - 4 години. Розрахунок витрат на використання комп’ютерної техніки приведений в таблиці 4.

Таблиця 4

Розрахунок витрат на використання комп’ютерної техніки

3.1.5 Накладні витрати

Накладні витрати проектних організацій включають три групи видатків: витрати на управління, загальногосподарські витрати, невиробничі витрати. Вони розраховуються за встановленими відсотками до витрат на оплату праці. Середньостатистичний відсоток накладних витрат в організації складає 150%.