CN101122627B - 半导体材料热电性能测试系统 - Google Patents
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Abstract
半导体材料热电性能测试系统，它涉及一种测试半导体材料的电性能和热电性能的装置，以解决现有热电性能测试装置存在的不能测试Seebeck系数和电导率的问题。本发明的连接管与加热炉连接，一号四孔引线管和二号四孔引线管都从连接管中穿过并延伸至加热炉内，电流正极引线、电流负极引线、电压正极引线和电压负极引线都设置在一号四孔引线管内，热端热电偶和冷端热电偶都设置在二号四孔引线管内，二号四孔引线管位于加热炉内的一端上设置有载物槽，加热电阻丝缠绕在二号四孔引线管位于加热炉内的部分的中间，电流正极引线和电流负极引线与一号测量仪器连接，电压正极引线和电压负极引线与二号测量仪器连接，热端热电偶和冷端热电偶与二号测量仪器连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试半导体材料的电性能和热电性能的装置，属于应用电子技术及热工技术领域。
背景技术
热电效应指当热电材料试样的两端存在温度差时，试样的两端就会产生电压。温差发电是一种基于热电效应的能量转换方案，通过载流子的移动能静态地进行热能与电能的相互转换。温差发电无污染、无噪声、性能稳定、寿命长，不论是作为电源发电还是作为制冷器制冷都具有其它方式所不具备的优势，在计算机技术、航天技术和超导技术及微电子技术等领域有可观的应用前景。热电材料的优劣可以通过公式：ZT＝S2σT/κ来评价，其中Z是材料的品质因子，T为使用温度，ZT是材料的热电优值，S是Seebeck系数，σ是电导率，κ是热导率。热电材料的热电性能是其应用和研究的基础，目前还没有可以测试Seebeck系数和电导率的产品化的热电性能测试装置。
发明内容
本发明为解决现有热电性能测试装置存在的不能测试Seebeck系数和电导率的问题，提供一种半导体材料热电性能测试系统。本发明包含加热炉1、连接管2、一号四孔引线管3、电流正极引线4-1、电流负极引线4-2、电压正极引线5-1、电压负极引线5-2、二号四孔引线管6、加热电阻丝7、热端热电偶8、冷端热电偶9、一号测量仪器10和二号测量仪器11，连接管2的一端与加热炉1连接，一号四孔引线管3和二号四孔引线管6都从连接管2中穿过并延伸至加热炉1内，电流正极引线4-1、电流负极引线4-2、电压正极引线5-1和电压负极引线5-2都设置在一号四孔引线管3内，热端热电偶8和冷端热电偶9都设置在二号四孔引线管6内，二号四孔引线管6位于加热炉1内的一端上设置有载物槽6-1，加热电阻丝7缠绕在二号四孔引线管6位于加热炉1内的部分的中间，电流正极引线4-1的信号输出端与直流电源17的正极连接，直流电源17的负极与一号测量仪器10的负极接线端子连接，电流负极引线4-2的信号输出端与一号测量仪器10的正极接线端子连接，电压正极引线5-1的信号输出端与二号测量仪器11的第一正极接线端子连接，电压负极引线5-2的信号输出端与二号测量仪器11的第一负极接线端子连接，热端热电偶8的信号输出端与二号测量仪器11的第二正极接线端子连接，冷端热电偶9的信号输出端与二号测量仪器11的第二负极接线端子连接。
本发明能够测试半导体材料的电性能和热电性能，包括电导率和Seebeck系数以及其在室温～800℃温度范围内这两种参数对温度的依赖性；测量范围直流电压为200mV～1000V，直流电流为10mA～3A，测量精度可达38ppm；本发明还可以测试多种规格的样品，操作方便，适应性强，应用范围广泛。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明测量电导率的电路结构示意图，图3是本发明具体实施方式四中一号四孔引线管3、二号四孔引线管6和样品夹具16的在测试过程中的连接结构示意图，图4是三号待测样品C嵌在样品夹具16上的结构示意图，图5是具体实施方式四测量过程的电路结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1、图2，本实施方式由加热炉1、连接管2、一号四孔引线管3、电流正极引线4-1、电流负极引线4-2、电压正极引线5-1、电压负极引线5-2、二号四孔引线管6、加热电阻丝7、热端热电偶8、冷端热电偶9、一号测量仪器10和二号测量仪器11组成，连接管2的一端与加热炉1连接，一号四孔引线管3和二号四孔引线管6都从连接管2中穿过并延伸至加热炉1内，电流正极引线4-1、电流负极引线4-2、电压正极引线5-1和电压负极引线5-2都设置在一号四孔引线管3内，热端热电偶8和冷端热电偶9都设置在二号四孔引线管6内，二号四孔引线管6位于加热炉1内的一端上设置有载物槽6-1，加热电阻丝7缠绕在二号四孔引线管6位于加热炉1内的部分的中间，电流正极引线4-1的信号输出端与直流电源17的正极连接，直流电源17的负极与一号测量仪器10的负极接线端子连接，电流负极引线4-2的信号输出端与一号测量仪器10的正极接线端子连接，电压正极引线5-1的信号输出端与二号测量仪器11的第一正极接线端子连接，电压负极引线5-2的信号输出端与二号测量仪器11的第一负极接线端子连接，热端热电偶8的信号输出端与二号测量仪器11的第二正极接线端子连接，冷端热电偶9的信号输出端与二号测量仪器11的第二负极接线端子连接。打开一号测量仪器10和二号测量仪器11预热10～15分钟，将一号待测样品A放入二号四孔引线管6的载物槽6-1内，将电流正极引线4-1的信号输入端与一号待测样品A的第一端连接，将电流负极引线4-2的信号输入端与一号待测样品A的第二端连接，将电压正极引线5-1的信号输入端与一号待测样品A的第一端连接，将电压负极引线5-2的信号输入端与一号待测样品A的第二端连接，调节加热炉1程序升温，电导率根据公式σ＝c/abR＝cI/abU计算获得，其中c、a、b分别为一号待测样品A的长、宽、高，R为电阻，I为输入电流，U为测定电压，实际测量中为了减小误差，每次输入8个电流值(4正4负)，测量对应的8个电压值，通过计算U-I曲线的斜率获得R值，进而计算电导率σ值；待加热炉1冷却后将热端热电偶8的信号输入端与一号待测样品A的第一端连接，将冷端热电偶9的信号输入端与一号待测样品A的第二端连接，调节加热炉1程序升温，Seebeck系数根据公式S＝ΔU/ΔT＝ΔU/(Th-Tc)计算获得，其中Th和Tc分别代表一号待测样品A热端和冷端的温度，实际测量中为了减小误差采用动态测量法，即在每个测试温度点恒温30分钟，再给加热电阻丝7通电为一号待测样品A局部加热制造温差，并测量8组ΔT对应的ΔU值，然后对ΔU-ΔT曲线进行现行拟合，其斜率为所测平均温度下的S值。所述加热炉1可采用RGL-04/35/1型节能管式炉，所述连接管2可采用刚玉管，所述一号测量仪器10可采用KEITHLEY 2400SourceMeter，所述二号测量仪器11可采用KEITHLEY 2700 MultiMeter，所述直流电源可采用JWY-30B型晶体管稳压电源。
具体实施方式二：参见图1、图2，本实施方式在具体实施方式一的基础上增加了PC机12，一号测量仪器10的信号传输端、二号测量仪器11的信号传输端分别与PC机12的第一个信号传输端和第二个信号传输端连接。根据电导率和Seebeck系数的计算公式编制自动测量程序存入PC机12，由PC机12自动记录程序，根据公式计算出电导率和Seebeck系数值，所得结果可直观的显示在PC机12的显示器上。其它组成和连接关系与具体实施方式相同。
具体实施方式三：参见图1、图2，本实施方式在具体实施方式一的基础上增加了保护气氛瓶13、洗气瓶14和导气管15，导气管15设置在连接管2内，导气管15的出气口与加热炉1连通，导气管15的进气口与洗气瓶14的出气口连接，洗气瓶14的进气口与保护气氛瓶13的出气口连接。将保护气氛瓶13中的保护气氛通过洗气瓶14充入加热炉1内，可防止待测样品高温氧化，充入的保护气氛可选用氩气。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：参见图3、图4和图5，本实施方式在具体实施方式一的基础上增加了样品夹具16，样品夹具16为L形，样品夹具16与水平面垂直部分的中部开有孔16-1，样品夹具16的高度H与一号四孔引线管3管外壁的下端和二号四孔引线管6管外壁的上端之间的距离L相同。在二号四孔引线管6的载物槽6-1放入二号待测样品B后，将样品夹具16设置在一号四孔引线管3和二号四孔引线管6之间，在孔16-1内嵌入三号待测样品C，将电流正极引线4-1的信号输入端与三号待测样品C的第一端连接，将电流负极引线4-2的信号输入端与三号待测样品C的第二端连接，将电压正极引线5-1的信号输入端与三号待测样品C的第一端连接，将电压负极引线5-2的信号输入端与三号待测样品C的第二端连接，将热端热电偶8的信号输入端与二号待测样品B的第一端连接，将冷端热电偶9的信号输入端与二号待测样品B的第二端连接，利用升温阶段测量电导率，利用降温阶段测量Seebeck系数，可实现同时测量电导率和Seebeck系数的效果。所述样品夹具16由普通耐火砖制成。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
Claims (5)
1.半导体材料热电性能测试系统，它包含加热炉(1)、连接管(2)、一号四孔引线管(3)、电流正极引线(4-1)、电流负极引线(4-2)、电压正极引线(5-1)、电压负极引线(5-2)、二号四孔引线管(6)、加热电阻丝(7)、热端热电偶(8)、冷端热电偶(9)、一号测量仪器(10)是型号为KEITHLEY2400的数字源表和二号测量仪器(11)是型号为KEITHLEY2700的万用表，其特征在于连接管(2)的一端与加热炉(1)连接，一号四孔引线管(3)和二号四孔引线管(6)都从连接管(2)中穿过并延伸至加热炉(1)内，电流正极引线(4-1)、电流负极引线(4-2)、电压正极引线(5-1)和电压负极引线(5-2)都设置在一号四孔引线管(3)内，热端热电偶(8)和冷端热电偶(9)都设置在二号四孔引线管(6)内，二号四孔引线管(6)的一端上设置有载物槽(6-1)，二号四孔引线管(6)设置有载物槽(6-1)的一端位于加热炉(1)内部；加热电阻丝(7)缠绕在二号四孔引线管(6)位于加热炉(1)内的部分的中间，电流正极引线(4-1)的信号输出端与直流电源(17)的正极连接，直流电源(17)的负极与一号测量仪器(10)的负极接线端子连接，电流负极引线(4-2)的信号输出端与一号测量仪器(10)的正极接线端子连接，电压正极引线(5-1)的信号输出端与二号测量仪器(11)的第一正极接线端子连接，电压负极引线(5-2)的信号输出端与二号测量仪器(11)的第一负极接线端子连接，热端热电偶(8)的信号输出端与二号测量仪器(11)的第二正极接线端子连接，冷端热电偶(9)的信号输出端与二号测量仪器(11)的第二负极接线端子连接。
2.根据权利要求1所述的半导体材料热电性能测试系统，其特征在于它增加了PC机(12)，一号测量仪器(10)的信号传输端和二号测量仪器(11)的信号传输端分别与PC机(12)的第一个信号传输端、第二个信号传输端连接。
3.根据权利要求1所述的半导体材料热电性能测试系统，其特征在于它增加了保护气氛瓶(13)、洗气瓶(14)和导气管(15)，导气管(15)设置在连接管(2)内，导气管(15)的出气口与加热炉(1)连通，导气管(15)的进气口与洗气瓶(14)的出气口连接，洗气瓶(14)的进气口与保护气氛瓶(13)的出气口连接。
4.根据权利要求1所述的半导体材料热电性能测试系统，其特征在于它增加了样品夹具(16)，样品夹具(16)为L形，样品夹具(16)与水平面垂直部分的中部开有孔(16-1)，样品夹具(16)的高度(H)与一号四孔引线管(3)管外壁的下端和二号四孔引线管(6)管外壁的上端之间的距离(L)相同。
5.根据权利要求4所述的半导体材料热电性能测试系统，其特征在于将电流正极引线(4-1)的信号输入端与第一待测样品的第一端连接，将电流负极引线(4-2)的信号输入端与第一待测样品的第二端连接，将电压正极引线(5-1)的信号输入端与第一待测样品的第一端连接，将电压负极引线(5-2)的信号输入端与第一待测样品的第二端连接，将热端热电偶(8)的信号输入端与第二待测样品的第一端连接，将冷端热电偶(9)的信号输入端与第二待测样品的第二端连接。
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