一种测量电阻率和塞贝克系数的装置及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体材料测量技术领域。具体设及一种测量电阻率和塞贝克系数的 装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002] 电阻率和塞贝克系数是半导体材料的重要参数。它们不仅能表征材料的电输运性 能，同时能间接反映材料内部的载流子浓度和迁移率的高低。由于半导体材料与金属材料 的导电机制不同，无法使用基于两探针法的欧姆表直接测量其电阻率。当欧姆表的测量电 极与半导体接触时，会出现接触电阻效应和少数载流子注入现象，致使半导体材料的电阻 率测量值大幅偏离真实值。目前多采用四探针法测量半导体材料的电阻率(见孙W材.半导 体测量技术[M].北京：冶金工业出版社，1984: 7~24)。四探针法中，四根探针排成一行，两 根外侧的探针与直流电源连接，两根内侧的探针与高精度数字电压表连接。假设待测试样 的截面为S，通过两根外侧的探针施加稳定的电流I，在试样中产生一个稳定的电场，然后通 过两根中屯、距为D的内侧的探针获得两个等电位面间的电压U。对于外形规整的长方体试样 和圆柱体试样，其电阻率P为：
[0003]
(1)
[0004] 式（1)中：R为电阻，Ω。
[0005] 半导体材料的塞贝克系数的测量方法有两种:一种是静态法;另一种是动态法。
[0006] 静态法是将待测试样的一端恒定于溫度To,将试样的另一端恒定于溫度Το+10~30 °C，从而在试样两端产生一个恒定的溫差ΔΤ〇(10~30°C)，使用高精度数字电压表测量试 样两端的塞贝克电压AU，所述试样的塞贝克系数α为：
[0007]
(2)
[000引动态法是将待测试样的一端恒定于溫度Τ，将试样的另一端持续加热，从而在试样 两端产生一个连续变化的溫差A Τ，对应地采集塞贝克电压Δ U和溫差Δ Τ，通过线性拟合得 到一条近似直线的A υ-ΔΤ关系，直线的斜率即为塞贝克系数α(见贾磊等.溫差发电的热力 过程研究及材料的塞贝克系数测定[J].中国工程科学，2006,7:31-34)。上述两种方法相比 较，尽管动态法费时相对较多，但精度相对较高，装置设计简单易行。
[0009]现有的高精度电阻率及塞贝克系数的测量系统，如日本的沈Μ系列测量系统、德国 的Linseis系列测量系统等，待测试样要求为横向截面尺寸为(2~5) X (2~5)mm2和纵向尺 寸为5~20mm的长方体小试样，对于较大尺寸的试样，需要切割加工成相应尺寸的小试样后 才能进行测量。而国内生产企业所使用的较大尺寸试样的电阻率和塞贝克系数的测量装 置，电阻率测量大多基于两探针法，塞贝克系数测量大多采用静态法，测量精度较低，测量 结果重复性较差，无法精确测量不同微小区域的电阻率和塞贝克系数，影响了对产品性能 的客观评价。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种测量电阻率和塞贝克系数的装置 及其使用方法，所述装置能实现对长方体试样和圆柱体试样在不同待测区域的电阻率和塞 贝克系数的直接测量，测量精度高。
[0011] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:该装置由升降系统、水平移动系统和 测量系统组成。
[0012] 所述升降系统的结构是：
[0013] 底板的上表面后侧对称地固定有两根方形钢管，方形钢管内由下往上依次装有下 轴承、螺母式滑块、上轴承和端盖。竖直丝杆的下端安装在下轴承内，竖直丝杆的中部与螺 母式滑块螺纹连接，竖直丝杆的上端穿出上轴承和端盖与上手轮固定连接。两根方形钢管 的前侧沿竖直方向开有条形孔，两根水平杆的一端分别穿过对应的两根方形钢管的条形孔 与螺母式滑块固定连接，两根水平杆的另一端与对应的热端电极和冷端电极的上表面固定 连接。
[0014] 热端电极的结构是:热端电极壳体内装有热端可伸缩式电位探针、热端热电偶和 单头加热器;热端可伸缩式电位探针位于热端电极壳体的前部右侧，热端热电偶位于热端 电极壳体的前部左侧，单头加热器固定在热端电极壳体的中间位置处，热端可伸缩式电位 探针的针尖向下伸出热端电极壳体，热端可伸缩式电位探针的针尖伸出热端电极壳体的长 度为5~8mm。
[0015] 冷端电极的结构是:冷端电极壳体内装有冷端可伸缩式电位探针和冷端热电偶； 冷端可伸缩式电位探针位于冷端电极壳体的前部左侧，冷端热电偶位于冷端电极壳体的前 部右侧，冷端可伸缩式电位探针的针尖向下伸出冷端电极壳体，冷端可伸缩式电位探针的 针尖伸出冷端电极壳体的长度为5~8mm。
[0016] 所述水平移动系统的结构是：
[0017] 底板的上表面沿前后方向固定有两根相互平行的第一滑轨，两根第一滑轨上对称 地装有两块第一滑块，四块第一滑块的上表面固定有一块第一绝缘板;两根第二滑轨沿左 右方向平行地固定在第一绝缘板的上表面，两根第二滑轨上对称地装有两块第二滑块，四 块第二滑块的上表面固定有一块第二绝缘板，两根第Ξ滑轨沿左右方向平行地固定在第二 绝缘板的上表面;两根第Ξ滑轨上对称地装有两块第Ξ滑块，第Ξ滑块的上表面左右对称 地装有第Ξ绝缘板，两块第Ξ绝缘板上对称地装有夹持电极。第二绝缘板的左右两端处对 称地装有固定杆，固定杆上端设有螺纹孔，水平丝杆与固定杆的螺纹孔螺纹连接，水平丝杆 的一端装有下手轮，水平丝杆的另一端装有圆盘，圆盘装在夹持电极的外侧卡槽内。
[0018] 所述测量系统的结构是：
[0019] -块夹持电极与直流脉冲电源的一个输出端连接，另一块夹持电极通过高精度数 字电流表与直流脉冲电源的另一个输出端连接。热端可伸缩式电位探针和冷端可伸缩式电 位探针与高精度数字电压表的正极和负极对应连接，热端热电偶和冷端热电偶与第一溫度 表和第二溫度表对应连接。
[0020] 使用所述装置测量电阻率和塞贝克系数的方法是：
[0021 ] 所述电阻率的测量方法：
[0022] 步骤1. 1、先将待测试样的一个待测面划分为η个待测区域;再将待测试样的待测 面朝上，沿纵向方向放入夹持电极之间，旋动两侧的下手轮，将待测试样夹紧。
[0023] 步骤1.2、依次开启高精度数字电压表、高精度数字电流表和直流脉冲电源。
[0024] 步骤1.3、移动第二绝缘板或/和第一绝缘板，将待测试样的第1个待测区域移至热 端可伸缩式电位探针和冷端可伸缩式电位探针的正下方。
[0025] 步骤1.4、分别旋动上手轮，向下移动热端电极和冷端电极，使热端可伸缩式电位 探针和冷端可伸缩式电位探针的针尖与待测试样的第1个待测区域接触。
[0026] 步骤1.5、读取并记录高精度数字电压表显示对应的正电压化+和负电压化-，同时 读取并记录高精度数字电流表显示对应的正向电流Ιι+和反向电流ΙΓ。
[0027] 步骤1.6、根据四探针法，分别得到第1个待测区域电流正向阶段的电阻率Ρ1+和第1 个待测区域电流反向阶段的电阻率ΡΓ;第1个待测区域电流正向阶段的电阻率Ρ1+和第1个 待测区域电流反向阶段的电阻率ΡΓ的平均值为第1个待测区域的电阻率Ρ1。
[002引步骤1.7、W步骤1.3~步骤1.6类推，可测得第2个待测区域的电阻率Ρ2，第3个待 测区域的电阻率Ρ3，……，第η个待测区域的电阻率Ρη。
[0029] 步骤1.8、依次关闭直流脉冲电源、高精度数字电压表和高精度数字电流表;再分 别旋动上手轮，向上移动热端电极和冷端电极;然后分别旋动下手轮，取出待测试样，测量 结束。
[0030] 在步骤1.1和步骤1.7中：η表示待测区域数，η化~20的自然数。
[0031 ]所述塞贝克系数的测量方法：
[0032] 步骤2.1、先将待测试样的一个待测面划分为η个待测区域;再将待测试样的待测 面朝上，沿纵向方向放入夹持电极之间，旋动两侧的下手轮，将待测试样夹紧。
[0033] 步骤2.2、依次开启高精度数字电压表、第一溫度表和第二溫度表。
[0034] 步骤2.3、移动第二绝缘板或/和第一绝缘板，将待测试样的第1个待测区域移至热 端电极壳体和冷端电极壳体的正下方。
[0035] 步骤2.4、分别旋动上手轮，向下移动热端电极和冷端电极，使热端电极壳体和冷 端电极壳体的底面与待测试样的第1个待测区域接触。
[0036] 步骤2.5、开启单头加热器。当第一溫度表显示的溫度瑞与第二溫度表显示的溫度 巧'的差值等于4°C时，作为第一个升溫测量点，读取并记录高精度数字电压表显示的电压 U'11、第一溫度表显示的溫度巧和第二溫度表显示的溫度巧'。^后每升高0.5~1°C为一个 测量点，对于第j个测量点，读取并记录高精度数字电压表显示的电压IJ/U、第一溫度表显示 的溫度和第二溫度表显示的溫度23'。当第一溫度表显示的溫度狂：^与第二溫度表显示的 溫度把"'的差值大于l〇°C时，停止所述升溫阶段的数据读取。
[0037] 步骤2.6、关闭单头加热器。当第一溫度表显示的溫度瑞"与第二溫度表显示的溫度 巧''的差值等于10°C时，作为第一个降溫测量点，读取并记录高精度数字电压表显示的电压 U,",、第一溫度表显示的溫度巧'和第二溫度表显示的溫度跑"。似后每降低0.5~rc为一个 测量点，对于第k个测量点，读取并记录高精度数字电压表显示的电压U" Ik、第一溫度表显示 的溫度巧；'和第二溫度表显示的溫度巧"。当第一溫度表显示的溫度与第二溫度表显示 的溫度的差值小于4°C时，停止所述降溫阶段的数据读取。
[003引步骤2