CN100334442C - 一种测量半导体材料塞贝克系数和电阻率的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量半导体材料塞贝克系数和电阻率的装置，温度控制器的两端分别与电源及管式炉中的发热元件相连，样品台位于炉膛内；参考电阻与转换开关串接，转换开关与数据采集模块相连，恒流源与转换开关相连。冷端样品夹固定在冷端夹柱内，热端样品夹可移动式置于热端夹柱内，冷、热端热电偶分别位于冷、热端样品夹内、并接近样品两端的位置，并通过数据采集模块输入到计算机；导电夹通过瓷台固定在底座上，并采用高温导线将样品的电压通过数据采集模块输入到计算机里；高温导线分别连接在冷、热端样品夹上，将塞贝克电势通过数据采集模块输入到计算机。该装置可以使同时进行测定塞贝克系数和电阻率，并且测试过程简单，装置和测试的成本较低。

Description

一种测量半导体材料塞贝克系数和电阻率的装置

技术领域

本发明属于半导体测试装置技术领域，具体涉及一种同时测量不同温度半导体材料塞贝克系数和电阻率的装置。

背景技术

塞贝克(Seebeck)系数和电阻率是材料最重要的热电输运性能参数之一。精确测定它们对深入研究半导体材料的热电输运机理，特别是对深入研究和开发新型半导体热电材料和器件具有非常重要的应用价值和理论意义。现有涉及塞贝克系数和电阻率的测试装置，主要存在以下几方面的问题：1)对塞贝克系数和电阻率的测试基本上都是通过不同的测试装置分开进行，塞贝克系数的测定通常采用两端温差法测定，电阻率测量则较多采用四探针法测量(见①H.J.Goldsmid.J.Phys.E.Sci.Instrum.，1986，19：921-922；②SB-100 Seebeck Measurement System.MMR Technologies，Inc.(USA)， http://www.mmr.com)，因此存在测试样品不能通用、测量过程复杂耗时等弊端。2)对于半导体热电材料而言，其主要应用之一就是温差发电，温差发电应用过程中其热端一般工作在较高温度(如当前同位素温差电源用SiGe系半导体热电材料，热端温度高达800℃以上)，因此高温热电性能测试和研究极为重要，目前尚没有相关装置能在温度超过600℃以上同时测试材料的塞贝克系数和电阻率(见①Yamashita Hiroyuki；Horio Yuuma.JP2004022912；②PPMS-Physical Property Measurement System.QUANTUMDESIGN，http:// www.qdusa.com.)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量半导体材料塞贝克系数和电阻率的装置，该装置可以使用同一试样对半导体热电材料在不同温度下的塞贝克系数和电阻率同时进行测定，并且测试过程简单，装置和测试的成本较低。

本发明提供的一种测量半导体材料塞贝克系数和电阻率的装置，温度控制器的一端与电源相连，另一端与管式炉中的发热元件相连，样品台位于管式炉的炉膛内；参考电阻与转换开关串接，并连接在高温导线上，转换开关与数据采集模块相连，恒流源与转换开关相连。样品台的结构为：冷端样品夹固定在冷端夹柱内，热端样品夹可移动式置于热端夹柱内，冷端热电偶和热端热电偶分别位于冷、热端样品夹内、并接近样品两端的位置，分别测量样品两端的温度，并通过数据采集模块输入到计算机；导电夹通过瓷台固定在底座上并与高温导线相连，并采用高温导线将样品的电压通过数据采集模块输入到计算机里；高温导线分别连接在冷端样品夹和热端样品夹上，将塞贝克电势通过数据采集模块输入到计算机。

本发明与现有的半导体材料Seebeck系数和电阻率测量装置的区别在于：现有的测量装置，大都采用不同仪器分别测试Seebeck系数和电阻率，硬件资源浪费，而且功能固定、单一，难以扩充，数据无法编辑，仪器操作也不方便。另外，现有的Seebeck系数和电阻率复合测量装置测试温度一般在600℃以下，对温差的控制通常所采用的方式是在试样两端各安置一加热器，通过调节加热器的功率产生温差，但采用这种方式产生温差操作比较麻烦，而且精度比较低。本发明针对这些问题进行了一系列的改进，采用一套加热系统，通过对试样的一端进行冷却可以根据需要更方便的产生温差，不仅节省硬件资源，节约能源，而且样品温控精度高。本发明可以同时测量不同温度半导体材料塞贝克系数和电阻率的测试系统。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为测试样品台的结构示意图；

图3为本发明装置的操作流程图；

图4为p型CoSb₃电阻率随温度的变化曲线；

图5为p型CoSb₃ Seebeck系数随温度的变化曲线；

图6为n型Bi₂Te₃(掺Ag)的Seebeck系数和电阻率随Ag质量分数变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，该测试装置由三个部分组成：管式炉及温度控制器、样品台和数据处理部分，下面分别对各部分作进一步详细描述。

如图1所示，样品台位于管式炉的炉膛内，管式炉两端分别设有冷却气体入口和保护气体入口。本发明通过在一端通入冷却气的方式能够方便的产生温差。另外，为了防止在高温时样品发生氧化，在管式炉的另一端通入氩气对试样进行保护。温度控制器有两种方式可供选择，一是用可控硅触发器根据经验进行手动控制；二是采用经典的PID控制，用模糊控制的方法对管式炉进行自动控温。实验中本发明用PID调节器实行自动控温，通过调节控制参数(增加值及控制周期)，可调节升温速率及控制炉温到设定温度。

样品台如图2所示，主要由四部分组成，一是底座17，主要起支撑作用；二是冷端样品夹7和热端样品夹5，其中冷端样品夹固定在冷端夹柱20内，而热端样品夹可在热端夹柱18内移动，样品6固定在冷热端样品夹内，通过调节螺钉21可方便的调节样品空间的大小，其中冷热端样品夹和样品夹夹柱相互绝缘；三是导电夹19，这相当于两探针测试电阻率时的两根探针，本发明把导电夹19通过瓷台固定在底座17上，导电夹之间的距离能够被固定，减少每次测量时由于探针位置不确定而带来的误差；四是接线部分，包括两根Pt-Pt-10％Rh热电偶，分别是冷端热电偶8和热端热电偶9，分别埋在和样品接触的冷热端样品夹里，热电偶的位置非常接近样品的两端，还有二组高温导线10、10’和11、11’，一组高温导线11、11’分别连接在冷端样品夹7和热端样品夹5上；另外一组高温导线10、10’分别连接在导电夹19的两侧。当把转换开关13打在Seebeck系数档时，高温导线11、11’就将Seebeck电势通过数据采集模块15输入到计算机16里；当把转换开关13打在电阻率系数档时，恒流源14、冷端样品夹7、热端样品夹5、高温导线11、11’、参考电阻12和样品6组成一个通路，再通过高温导线10、10’将样品6电压通过数据采集模块15输入到计算机16里。

本实例中高温导线采用铂线。

数据处理部分包括数据采集模块15和计算机16，数据采集模块15可选用I7018八通道十六位数据采集模块，通过RS485-RS232转化器与计算机16的RS232的串口通信。I7018仅仅提供了数据输入的功能，它拥有八个数据通道(vin0-/vin0+，……vin7-/vin7+)，可同时采集八个外部信号。在Seebeck系数的测量中，试样热端温度测量和冷端温度测量分别占用一个通道，测试Seebeck电势占用一个通道。在电阻率的测量中，样品电压的测量占用一个通道，另外，参考电阻电压的测量也占用一个通道，总共需要五个通道。至于通道的选择，由实际操作人员选定，并在虚拟仪器软件中进行相应通道设置即可。对于测试软件，本系统选用Microsoft的Visual Basic作为虚拟仪器软件开发平台，软件流程图见图3。本发明采用基于虚拟仪器的技术，将更多的工作交付给软件，使系统具有硬件可靠性高、扩充性强；软件为模块化结构、具有可移植性强等优点。

根据塞贝克系数的定义，被测材料s和参考材料r之间的相对Seebeck系数a_sr可以表示为

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{sr}}=\underset{\mathrm{\ΔT}\→0}{\lim }\frac{V_{\mathrm{sr}}}{\mathrm{\ΔT}}$ (式1)

式中，ΔT为样品冷热端温差，V_sr为相对该温差产生的Seebeck电压。在具体进行系统设计时，本发明采用热电偶与样品间接接触的方法测量Seebeck系数，用纯铜作为冷热端夹具，采用Pt-Pt-10％Rh热电偶测温。对电阻率的测量本发明采用经过修改后的两探针法，其计算公式为

$\mathrm{\ρ}=\frac{R_f\·\·V_s\·w\·h}{l\·V_r}$ (式2)

式中，R_f为参考电阻12，w，h分别为样品长、宽、高，V_r，V_s分别参考电压和样品电压。采用两探针法主要是基于两点考虑，一是本发明测试最高温度达到800℃，而四探针法和范德堡法不适合测试高温；二是本发明的测量装置是一个复合测试装置，采用两探针法能够简化样品台的设计和操作，对于附加Seebeck电压对电阻率测量的影响，可在测量时改变电流方向做两次测量，然后取平均值；另外，为了消除接触端面的影响，本发明采用长宽比大的样品(样品尺寸为4mm×4mm×16mm)。

在具体进行测试时，先用镊子将待测样品6放在样品台上，先通过轴向调节螺钉21将样品6轻微夹住，两端要保持水平，然后将导电夹19上的小螺钉固定好，保持端面水平，最后再旋紧轴向调节螺钉21，在整个操作过程中，用力要轻微和均匀，以免损坏样品。然后将样品台放入管式炉3内，对其进行密封，保证整个炉膛气密性良好，并通入保护气氩气。再打开电源1开关，通过温度控制器2将炉温控制在所需温度，待温度接近稳态时，通过调节冷热端气阀尽量消除冷热端温差，然后开始进行测试。一般先进行电阻率测试，打开恒流源14开关，将转换开关13打在电阻率档。在程序的电阻率测试界面点击开始按钮，采集5-10个数据点，然后点击停止按钮，再通入反相电流，重新开始采集5-10个数据点，最后通过求得两次测量平均电阻值作为本温度点测试结果，测试时一定要快速进行。待电阻率测试完毕后，再进行Seebeck系数测试，将转换开关13打在Seebeck系数档，并关闭恒流源14开关，通过调节气阀可方便的控制冷热端温差，为了消除热阻的影响，一般选择10K左右的温差为宜，在程序的Seebeck系数测试界面点击开始按钮，每次测试时应采集50个以上的数据点。本温度点测试完毕以后，通过温度控制器2将炉温控制在下一个所需的待测温度点，然后可进行测试。

由Seebeck系数的定义可知，其相对误差可表示为

|η_α|＝|η_U|/U+|η_ΔT|/ΔT    (式3)

式中，U为Seebeck电势，ΔT为样品冷热端温差。对于第一项，当I7018量程档洗择为15mv时，其分辨率小于0.5μv，而其本身的转换误差仅为0.5％，以ΔT＝10K，α＝50μv/K估算误差，则|η_U|/U大约为0.6％；对于第二项，主要有热电偶误差、A/D转换误差和由于接触热阻产生的误差，本发明采用Pt-Pt-10％Rh热电偶测温，由于该种热电偶本身有一随机误差，如在0-1300℃时误差为±0.25％，根据误差处理方法，这一误差可以通过多次测量的办法得以降低，如用n次测量的温度算术平均值替代真实温度(T₀)时的标准偏差为：

$\mathrm{\δ}=\±\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_i-T_0)}^2}$ (式4)

由于微机采集数据读数很快(每秒钟采集10个点)，本发明采用每个温度点读200次，然后取平均值，如测温点为500℃时，100次读数随机误差可减小到

则由此产生的温差|η_ΔT|误差为0.18K。而I7018对热电偶的电势信号采集及转变成温度值的过程中，结合Pt-Pt-10％Rh热电偶的特性，得到在温度≥0℃时，试样两端的读数T_h、T_c误差均＜0.15K，则|η_ΔT|＜0.3K。对于由于接触热阻产生的误差，如果接触材料选择得当，并且加工精度比较高，保证样品接触良好，对于这种误差基本可以忽略不计。由此看来，总共产生的误差大约为|η_ΔT|＜0.48K，如果以ΔT＝10K估算误差，则|η_ΔT|/η＜4.8％，则根据误差加和性原理，Seebeck系数总的误差在5％左右。

由电阻率的计算公式可知，其相对误差可表示为

$\left|{\mathrm{\η}}_{\mathrm{\ρ}}\right|=\left|{\mathrm{\η}}_l\right|/l+\left|{\mathrm{\η}}_{V_r}\right|/V_r+\left|{\mathrm{\η}}_{R_f}\right|{/R}_f+\left|{\mathrm{\η}}_{V_s}\right|/V_s+\left|{\mathrm{\η}}_w\right|/w+{|\mathrm{\η}}_h|/h$ (式5)

式中，1，w，h分别为样品长、宽、高，R_f，V_r，V_s分别为参考电阻、参考电压和样品电压。对于|η_l|/l，|η_w|/w，|η_h|/h三项，由于试样的尺寸l，w，h用游标卡尺(分辨率为0.01mm)测定，采用多次测量取平均值来克服偶然误差。在试验中，试样的尺寸一般取l＝16mm，w＝4mm，h＝4mm.则|η_l|/l+|η_w|/w+|η_h|/h＝0.56％；对于|η_vr|/v_r，|η_vs|/v_s两项，由于I7018量程档选择为15mv时，其分辨率小于1μv，则 $\left|{\mathrm{\&eta;}}_{V_r}\right|=\left|{\mathrm{\&eta;}}_{V_s}\right|<1\mathrm{\&mu;v},$ 本发明试样的电阻率一般大于3μΩ·m，取电流I＝10mA，R_f＝1Ω，则V_r＝10mv，则V_s＞30μv， $\left|{\mathrm{\&eta;}}_{V_r}\right|/V_r+\left|{\mathrm{\&eta;}}_{V_s}\right|/V_s<4\%;$ 对于|η_Rf|/R_f，由于R_f选择的是精密电阻，其误差＜1％，另外，A/D转换误差、电压值转物理量误差都比较小，基本上可以忽略，根据误差加和性原理，电阻率测量总误差小于5％。

利用本测试系统分别对采用MA+HP工艺制备p型CoSb₃和n型Bi₂Te₃(掺Ag)的Seebeck系数和电阻率进行了测试，结果示于图4、图5和图6。结合误差分析，CoSb₃的Seebeck系数和电阻率误差分布见表1，Bi₂Te₃的Seebeck系数和电阻率误差分布见表2。

表1  CoSb₃的Seebeck系数和电阻率误差分布

温度(℃)	Seebeck系数(μv/K)	Seebeck误差	Seebeck偏差(μv/K)	电阻率(μΩ·m)	电阻率误差	电阻率偏差(μΩ·m)
							45	56.5	±3.75％	±2.1	22.5	±1.58％	±0.4
118	64.3	±3.99％	±2.6	22.8	±1.58％	±0.4
							187	73.4	±4.23％	±3.1	23.3	±1.58％	±0.4
257	82.5	±4.47％	±3.7	27.4	±1.58％	±0.4
							330	95.3	±4.72％	±4.5	37.7	±1.57％	±0.6
402	113.6	±4.97％	±5.6	40.6	±1.57％	±0.6
							484	123.7	±5.25％	±6.5	43.7	±1.57％	±0.7
565	116.5	±5.54％	±6.5	39.6	±1.57％	±0.6
							640	97.5	±5.81％	±5.7	37.2	±1.57％	±0.6
720	86.2	±6.10％	±5.3	35.9	±1.57％	±0.6
							794	77.6	±6.37％	±4.9	33.5	±1.57％	±0.5

表2  Bi₂Te₃的Seebeck系数和电阻率误差分布

Ag wt.％	Seebeck系数(μv/K)	Seebeck误差	Seebeck偏差(μv/K)	电阻率(μΩ·m)	电阻率误差	电阻率偏差(μΩ·m)
							0	180	±3.53％	±6.4	31.28	±1.58％	±0.5
0.02	163	±3.53％	±5.8	19.03	±1.59％	±0.3
							0.05	164	±3.53％	±5.8	22.09	±1.58％	±0.3
0.1	172	±3.53％	±6.1	30.59	±1.58％	±0.5
							0.15	175	±3.53％	±6.2	25.17	±1.58％	±0.4
0.2	153	±3.53％	±5.4	15.37	±1.59％	±0.2

Claims (1)

1、一种测量半导体材料塞贝克系数和电阻率的装置，其特征在于：温度控制器(2)的一端与电源(1)相连，另一端与管式炉中的发热元件(4)相连，样品台位于管式炉的炉膛内；参考电阻(12)与转换开关(13)串接，并连接在高温导线(11、11’)上，转换开关(13)与数据采集模块(15)相连，恒流源(14)与转换开关(13)相连；

样品台的结构为：冷端样品夹(7)固定在冷端夹柱(20)内，热端样品夹(5)可移动式置于位于热端夹柱(18)内，冷端热电偶(8)和热端热电偶(9)分别位于冷、热端样品夹(5、7)内、并接近样品两端的位置，分别测量样品两端的温度，并通过数据采集模块(15)输入到计算机(16)；导电夹(19)通过瓷台固定在底座(17)上、与高温导线(10、10’)相连，并采用高温导线(10、10’)将样品(6)的电压通过数据采集模块(15)输入到计算机(16)里；高温导线(11、11，)分别连接在冷端样品夹(7)和热端样品夹(5)上，将塞贝克电势通过数据采集模块(15)输入到计算机(16)。

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