一種測(cè)量電阻率和塞貝克系數(shù)的裝置及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。具體設(shè)及一種測(cè)量電阻率和塞貝克系數(shù)的 裝置及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電阻率和塞貝克系數(shù)是半導(dǎo)體材料的重要參數(shù)。它們不僅能表征材料的電輸運(yùn)性 能，同時(shí)能間接反映材料內(nèi)部的載流子濃度和遷移率的高低。由于半導(dǎo)體材料與金屬材料 的導(dǎo)電機(jī)制不同，無(wú)法使用基于兩探針?lè)ǖ臍W姆表直接測(cè)量其電阻率。當(dāng)歐姆表的測(cè)量電 極與半導(dǎo)體接觸時(shí)，會(huì)出現(xiàn)接觸電阻效應(yīng)和少數(shù)載流子注入現(xiàn)象，致使半導(dǎo)體材料的電阻 率測(cè)量值大幅偏離真實(shí)值。目前多采用四探針?lè)y(cè)量半導(dǎo)體材料的電阻率(見(jiàn)孫W材.半導(dǎo) 體測(cè)量技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1984: 7~24)。四探針?lè)ㄖ?，四根探針排成一行，?根外側(cè)的探針與直流電源連接，兩根內(nèi)側(cè)的探針與高精度數(shù)字電壓表連接。假設(shè)待測(cè)試樣 的截面為S，通過(guò)兩根外側(cè)的探針施加穩(wěn)定的電流I，在試樣中產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電場(chǎng)，然后通 過(guò)兩根中屯、距為D的內(nèi)側(cè)的探針獲得兩個(gè)等電位面間的電壓U。對(duì)于外形規(guī)整的長(zhǎng)方體試樣 和圓柱體試樣，其電阻率P為：
[0003]
(1)
[0004] 式（1)中：R為電阻，Ω。
[0005] 半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)的測(cè)量方法有兩種:一種是靜態(tài)法;另一種是動(dòng)態(tài)法。
[0006] 靜態(tài)法是將待測(cè)試樣的一端恒定于溫度To,將試樣的另一端恒定于溫度Το+10~30 °C，從而在試樣兩端產(chǎn)生一個(gè)恒定的溫差ΔΤ〇(10~30°C)，使用高精度數(shù)字電壓表測(cè)量試 樣兩端的塞貝克電壓AU，所述試樣的塞貝克系數(shù)α為：
[0007]
(2)
[000引動(dòng)態(tài)法是將待測(cè)試樣的一端恒定于溫度Τ，將試樣的另一端持續(xù)加熱，從而在試樣 兩端產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)變化的溫差A(yù) Τ，對(duì)應(yīng)地采集塞貝克電壓Δ U和溫差Δ Τ，通過(guò)線(xiàn)性擬合得 到一條近似直線(xiàn)的A υ-ΔΤ關(guān)系，直線(xiàn)的斜率即為塞貝克系數(shù)α(見(jiàn)賈磊等.溫差發(fā)電的熱力 過(guò)程研究及材料的塞貝克系數(shù)測(cè)定[J].中國(guó)工程科學(xué)，2006,7:31-34)。上述兩種方法相比 較，盡管動(dòng)態(tài)法費(fèi)時(shí)相對(duì)較多，但精度相對(duì)較高，裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行。
[0009]現(xiàn)有的高精度電阻率及塞貝克系數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，如日本的沈Μ系列測(cè)量系統(tǒng)、德國(guó) 的Linseis系列測(cè)量系統(tǒng)等，待測(cè)試樣要求為橫向截面尺寸為(2~5) X (2~5)mm2和縱向尺 寸為5~20mm的長(zhǎng)方體小試樣，對(duì)于較大尺寸的試樣，需要切割加工成相應(yīng)尺寸的小試樣后 才能進(jìn)行測(cè)量。而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)所使用的較大尺寸試樣的電阻率和塞貝克系數(shù)的測(cè)量裝 置，電阻率測(cè)量大多基于兩探針?lè)?，塞貝克系?shù)測(cè)量大多采用靜態(tài)法，測(cè)量精度較低，測(cè)量 結(jié)果重復(fù)性較差，無(wú)法精確測(cè)量不同微小區(qū)域的電阻率和塞貝克系數(shù)，影響了對(duì)產(chǎn)品性能 的客觀評(píng)價(jià)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種測(cè)量電阻率和塞貝克系數(shù)的裝置 及其使用方法，所述裝置能實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)方體試樣和圓柱體試樣在不同待測(cè)區(qū)域的電阻率和塞 貝克系數(shù)的直接測(cè)量，測(cè)量精度高。
[0011] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:該裝置由升降系統(tǒng)、水平移動(dòng)系統(tǒng)和 測(cè)量系統(tǒng)組成。
[0012] 所述升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是：
[0013] 底板的上表面后側(cè)對(duì)稱(chēng)地固定有兩根方形鋼管，方形鋼管內(nèi)由下往上依次裝有下 軸承、螺母式滑塊、上軸承和端蓋。豎直絲桿的下端安裝在下軸承內(nèi)，豎直絲桿的中部與螺 母式滑塊螺紋連接，豎直絲桿的上端穿出上軸承和端蓋與上手輪固定連接。兩根方形鋼管 的前側(cè)沿豎直方向開(kāi)有條形孔，兩根水平桿的一端分別穿過(guò)對(duì)應(yīng)的兩根方形鋼管的條形孔 與螺母式滑塊固定連接，兩根水平桿的另一端與對(duì)應(yīng)的熱端電極和冷端電極的上表面固定 連接。
[0014] 熱端電極的結(jié)構(gòu)是:熱端電極殼體內(nèi)裝有熱端可伸縮式電位探針、熱端熱電偶和 單頭加熱器;熱端可伸縮式電位探針位于熱端電極殼體的前部右側(cè)，熱端熱電偶位于熱端 電極殼體的前部左側(cè)，單頭加熱器固定在熱端電極殼體的中間位置處，熱端可伸縮式電位 探針的針尖向下伸出熱端電極殼體，熱端可伸縮式電位探針的針尖伸出熱端電極殼體的長(zhǎng) 度為5~8mm。
[0015] 冷端電極的結(jié)構(gòu)是:冷端電極殼體內(nèi)裝有冷端可伸縮式電位探針和冷端熱電偶； 冷端可伸縮式電位探針位于冷端電極殼體的前部左側(cè)，冷端熱電偶位于冷端電極殼體的前 部右側(cè)，冷端可伸縮式電位探針的針尖向下伸出冷端電極殼體，冷端可伸縮式電位探針的 針尖伸出冷端電極殼體的長(zhǎng)度為5~8mm。
[0016] 所述水平移動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是：
[0017] 底板的上表面沿前后方向固定有兩根相互平行的第一滑軌，兩根第一滑軌上對(duì)稱(chēng) 地裝有兩塊第一滑塊，四塊第一滑塊的上表面固定有一塊第一絕緣板;兩根第二滑軌沿左 右方向平行地固定在第一絕緣板的上表面，兩根第二滑軌上對(duì)稱(chēng)地裝有兩塊第二滑塊，四 塊第二滑塊的上表面固定有一塊第二絕緣板，兩根第Ξ滑軌沿左右方向平行地固定在第二 絕緣板的上表面;兩根第Ξ滑軌上對(duì)稱(chēng)地裝有兩塊第Ξ滑塊，第Ξ滑塊的上表面左右對(duì)稱(chēng) 地裝有第Ξ絕緣板，兩塊第Ξ絕緣板上對(duì)稱(chēng)地裝有夾持電極。第二絕緣板的左右兩端處對(duì) 稱(chēng)地裝有固定桿，固定桿上端設(shè)有螺紋孔，水平絲桿與固定桿的螺紋孔螺紋連接，水平絲桿 的一端裝有下手輪，水平絲桿的另一端裝有圓盤(pán)，圓盤(pán)裝在夾持電極的外側(cè)卡槽內(nèi)。
[0018] 所述測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是：
[0019] -塊夾持電極與直流脈沖電源的一個(gè)輸出端連接，另一塊夾持電極通過(guò)高精度數(shù) 字電流表與直流脈沖電源的另一個(gè)輸出端連接。熱端可伸縮式電位探針和冷端可伸縮式電 位探針與高精度數(shù)字電壓表的正極和負(fù)極對(duì)應(yīng)連接，熱端熱電偶和冷端熱電偶與第一溫度 表和第二溫度表對(duì)應(yīng)連接。
[0020] 使用所述裝置測(cè)量電阻率和塞貝克系數(shù)的方法是：
[0021 ] 所述電阻率的測(cè)量方法：
[0022] 步驟1. 1、先將待測(cè)試樣的一個(gè)待測(cè)面劃分為η個(gè)待測(cè)區(qū)域;再將待測(cè)試樣的待測(cè) 面朝上，沿縱向方向放入夾持電極之間，旋動(dòng)兩側(cè)的下手輪，將待測(cè)試樣夾緊。
[0023] 步驟1.2、依次開(kāi)啟高精度數(shù)字電壓表、高精度數(shù)字電流表和直流脈沖電源。
[0024] 步驟1.3、移動(dòng)第二絕緣板或/和第一絕緣板，將待測(cè)試樣的第1個(gè)待測(cè)區(qū)域移至熱 端可伸縮式電位探針和冷端可伸縮式電位探針的正下方。
[0025] 步驟1.4、分別旋動(dòng)上手輪，向下移動(dòng)熱端電極和冷端電極，使熱端可伸縮式電位 探針和冷端可伸縮式電位探針的針尖與待測(cè)試樣的第1個(gè)待測(cè)區(qū)域接觸。
[0026] 步驟1.5、讀取并記錄高精度數(shù)字電壓表顯示對(duì)應(yīng)的正電壓化+和負(fù)電壓化-，同時(shí) 讀取并記錄高精度數(shù)字電流表顯示對(duì)應(yīng)的正向電流Ιι+和反向電流ΙΓ。
[0027] 步驟1.6、根據(jù)四探針?lè)?，分別得到第1個(gè)待測(cè)區(qū)域電流正向階段的電阻率Ρ1+和第1 個(gè)待測(cè)區(qū)域電流反向階段的電阻率ΡΓ;第1個(gè)待測(cè)區(qū)域電流正向階段的電阻率Ρ1+和第1個(gè) 待測(cè)區(qū)域電流反向階段的電阻率ΡΓ的平均值為第1個(gè)待測(cè)區(qū)域的電阻率Ρ1。
[002引步驟1.7、W步驟1.3~步驟1.6類(lèi)推，可測(cè)得第2個(gè)待測(cè)區(qū)域的電阻率Ρ2，第3個(gè)待 測(cè)區(qū)域的電阻率Ρ3，……，第η個(gè)待測(cè)區(qū)域的電阻率Ρη。
[0029] 步驟1.8、依次關(guān)閉直流脈沖電源、高精度數(shù)字電壓表和高精度數(shù)字電流表;再分 別旋動(dòng)上手輪，向上移動(dòng)熱端電極和冷端電極;然后分別旋動(dòng)下手輪，取出待測(cè)試樣，測(cè)量 結(jié)束。
[0030] 在步驟1.1和步驟1.7中：η表示待測(cè)區(qū)域數(shù)，η化~20的自然數(shù)。
[0031 ]所述塞貝克系數(shù)的測(cè)量方法：
[0032] 步驟2.1、先將待測(cè)試樣的一個(gè)待測(cè)面劃分為η個(gè)待測(cè)區(qū)域;再將待測(cè)試樣的待測(cè) 面朝上，沿縱向方向放入夾持電極之間，旋動(dòng)兩側(cè)的下手輪，將待測(cè)試樣夾緊。
[0033] 步驟2.2、依次開(kāi)啟高精度數(shù)字電壓表、第一溫度表和第二溫度表。
[0034] 步驟2.3、移動(dòng)第二絕緣板或/和第一絕緣板，將待測(cè)試樣的第1個(gè)待測(cè)區(qū)域移至熱 端電極殼體和冷端電極殼體的正下方。
[0035] 步驟2.4、分別旋動(dòng)上手輪，向下移動(dòng)熱端電極和冷端電極，使熱端電極殼體和冷 端電極殼體的底面與待測(cè)試樣的第1個(gè)待測(cè)區(qū)域接觸。
[0036] 步驟2.5、開(kāi)啟單頭加熱器。當(dāng)?shù)谝粶囟缺盹@示的溫度瑞與第二溫度表顯示的溫度 巧'的差值等于4°C時(shí)，作為第一個(gè)升溫測(cè)量點(diǎn)，讀取并記錄高精度數(shù)字電壓表顯示的電壓 U'11、第一溫度表顯示的溫度巧和第二溫度表顯示的溫度巧'。^后每升高0.5~1°C為一個(gè) 測(cè)量點(diǎn)，對(duì)于第j個(gè)測(cè)量點(diǎn)，讀取并記錄高精度數(shù)字電壓表顯示的電壓IJ/U、第一溫度表顯示 的溫度和第二溫度表顯示的溫度23'。當(dāng)?shù)谝粶囟缺盹@示的溫度狂：^與第二溫度表顯示的 溫度把"'的差值大于l〇°C時(shí)，停止所述升溫階段的數(shù)據(jù)讀取。
[0037] 步驟2.6、關(guān)閉單頭加熱器。當(dāng)?shù)谝粶囟缺盹@示的溫度瑞"與第二溫度表顯示的溫度 巧''的差值等于10°C時(shí)，作為第一個(gè)降溫測(cè)量點(diǎn)，讀取并記錄高精度數(shù)字電壓表顯示的電壓 U,",、第一溫度表顯示的溫度巧'和第二溫度表顯示的溫度跑"。似后每降低0.5~rc為一個(gè) 測(cè)量點(diǎn)，對(duì)于第k個(gè)測(cè)量點(diǎn)，讀取并記錄高精度數(shù)字電壓表顯示的電壓U" Ik、第一溫度表顯示 的溫度巧；'和第二溫度表顯示的溫度巧"。當(dāng)?shù)谝粶囟缺盹@示的溫度與第二溫度表顯示 的溫度的差值小于4°C時(shí)，停止所述降溫階段的數(shù)據(jù)讀取。
[003引步驟2