CN105486925A - 一种测量电阻率和塞贝克系数的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量电阻率和塞贝克系数的装置及其使用方法。其技术方案是：所述装置由升降系统、水平移动系统和测量系统组成。热端电极(12)和冷端电极(24)分别固定在水平杆(9)的一端，水平杆(9)的另一端通过螺母式滑块(8)与竖直丝杆(7)连接；测量时，夹持电极(13)通过两个运动方向相互垂直的滑块将测试样(36)水平移动至热端可伸缩式电位探针(29)和冷端可伸缩式电位探针(30)的正下方。通过高精度数字电压表(34)、高精度数字电流表(38)、第一温度表(35)和第二温度表(37)读取不同待测区域的电压、电流和温度，计算得到相应的电阻率和塞贝克系数。本发明能实现对长方体试样和圆柱体试样在不同的区域的电阻率和塞贝克系数的直接测量，测量精度高。

Description

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

本发明属于半导体材料测量技术领域。具体涉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

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(见孙以材.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，然后通过两根中心距为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ρ为：

$\mathrm{\ρ}=R\frac{S}{D}=\frac{U}{I}\·\frac{S}{D}---\left(1\right)$

式(1)中：R为电阻，Ω。

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。

静态法是将待测试样的一端恒定于温度T₀，将试样的另一端恒定于温度T₀+10～30℃，从而在试样两端产生一个恒定的温差ΔT₀(10～30℃)，使用高精度数字电压表测量试样两端的塞贝克电压ΔU，所述试样的塞贝克系数α为：

$\mathrm{\α}=\frac{dU}{dT}\≈\frac{\mathrm{\Δ}U}{{\mathrm{\ΔT}}_0}---\left(2\right)$

动态法是将待测试样的一端恒定于温度T，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温差ΔT，对应地采集塞贝克电压ΔU和温差ΔT，通过线性拟合得到一条近似直线的ΔU-ΔT关系，直线的斜率即为塞贝克系数α(见贾磊等.温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。

现有的高精度电阻率及塞贝克系数的测量系统，如日本的ZEM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)×(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

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。

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。

所述升降系统的结构是：

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。

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。

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。

所述水平移动系统的结构是：

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，两根第三滑轨沿左右方向平行地固定在第二绝缘板的上表面；两根第三滑轨上对称地装有两块第三滑块，第三滑块的上表面左右对称地装有第三绝缘板，两块第三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。

所述测量系统的结构是：

一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温度表和第二温度表对应连接。

使用所述装置测量电阻率和塞贝克系数的方法是：

所述电阻率的测量方法：

步骤1.1、先将待测试样的一个待测面划分为n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。

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。

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。

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。

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U₁ ⁺和负电压U₁ ^-，同时读取并记录高精度数字电流表显示对应的正向电流I₁ ⁺和反向电流I₁ ^-。

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ρ₁ ^-；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ρ₁ ^-的平均值为第1个待测区域的电阻率ρ₁。

步骤1.7、以步骤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n个待测区域的电阻率ρ_n。

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。

在步骤1.1和步骤1.7中：n表示待测区域数，n为1～20的自然数。

所述塞贝克系数的测量方法：

步骤2.1、先将待测试样的一个待测面划分为n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。

步骤2.2、依次开启高精度数字电压表、第一温度表和第二温度表。

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。

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。

步骤2.5、开启单头加热器。当第一温度表显示的温度与第二温度表显示的温度的差值等于4℃时，作为第一个升温测量点，读取并记录高精度数字电压表显示的电压U′₁₁、第一温度表显示的温度和第二温度表显示的温度以后每升高0.5～1℃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U′_1j、第一温度表显示的温度和第二温度表显示的温度当第一温度表显示的温度与第二温度表显示的温度的差值大于10℃时，停止所述升温阶段的数据读取。

步骤2.6、关闭单头加热器。当第一温度表显示的温度与第二温度表显示的温度的差值等于10℃时，作为第一个降温测量点，读取并记录高精度数字电压表显示的电压第一温度表显示的温度和第二温度表显示的温度以后每降低0.5～1℃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″_1k、第一温度表显示的温度和第二温度表显示的温度当第一温度表显示的温度与第二温度表显示的温度的差值小于4℃时，停止所述降温阶段的数据读取。

步骤2.7、根据步骤2.5，以为横坐标和U′_1j为纵坐标作图，对和所对应的U′_1j的数据进行线性拟合，所得直线的斜率为第1个待测区域的升温塞贝克系数α′₁。

根据步骤2.6，以为横坐标和U″_1k为纵坐标作图，对和所对应的U″_1k的数据进行线性拟合，所得直线的斜率为第1个待测区域的降温塞贝克系数α″₁。

升温塞贝克系数α′₁和降温塞贝克系数α″₁的平均值则为第1个待测区域的塞贝克系数α₁；

步骤2.8、以步骤2.3～2.7类推，可测得第2个待测区域的塞贝克系数α₂，第3个待测区域的塞贝克系数α₃，……，第n个待测区域的塞贝克系数α_n。

步骤2.9、依次关闭高精度数字电压表、第一温度表和第二温度表；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。

在步骤2.1和步骤2.8中：n表示待测区域数，n为1～20的自然数；在步骤2.5和步骤2.7中：j表示升温阶段的测量点的序号，j为1～m的自然数，m表示升温阶段的测量点数；在步骤2.6和步骤2.7中：k表示降温阶段的测量点的序号，k为1～s的自然数，s表示降温阶段的测量点数。

所述待测试样为长方体试样或圆柱体试样；所述待测试样的材质为半导体材料。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

1)传统高精度电阻率及塞贝克系数的测量系统只能测量横向截面尺寸为(2～5)×(2～5)mm²和纵向尺寸为5～20mm的长方体小试样，而本发明不仅适用于长方体小试样，且适用于较大尺寸的圆柱体试样和较大尺寸的长方体试样。测量时待测试样无需破坏，保护待测试样的完整性，简化测量程序，满足企业生产过程中测量需求。

2)传统高精度电阻率及塞贝克系数的测量系统只能测量待测试样待测面的单一区域，本发明可直接测量待测试样待测面的不同区域的电阻率和塞贝克系数，可表征待测试样的性能的均匀性，对待测试样的性能的评价更加客观真实。

3)采用直流脉冲电源代替传统的直流稳压电源，能直接得到正向电流和反向电流，测试过程更简便。

4)本装置测量精度高、测量结果重复性好、简单可靠和制造成本低。

因此，本发明能实现对长方体试样和圆柱体试样在不同的区域的电阻率和塞贝克系数的直接测量，测量精度高。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2为图1的右视结构示意图；

图3为图2中12的俯视示意图；

图4为图2中24的俯视示意图；

图5是本发明的一种电路示意图；

图6是圆柱体试样的待测区域划分为2时的示意图；

图7是长方体试样的待测区域划分为10时的示意图；

图8是圆柱体试样的待测区域划分为20时的示意图；

图9为图6所示试样的第1个待测区域的升温塞贝克系数α′₁的拟合直线；

图10为图6所示试样的第1个待测区域的降温塞贝克系数α″₁的拟合直线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

实施例1

一种测量电阻率和塞贝克系数的装置。如图1和图2所示，本装置由升降系统、水平移动系统和测量系统组成。为描述方便起见，本实施例以图2的左边为左侧，图1的左边为后侧。

所述升降系统的结构如图1～图4所示：

如图1和图2所示：底板1的上表面后侧对称地固定有两根方形钢管2，方形钢管2内由下往上依次装有下轴承、螺母式滑块8、上轴承和端盖10。竖直丝杆7的下端安装在下轴承内，竖直丝杆7的中部与螺母式滑块8螺纹连接，竖直丝杆7的上端穿出上轴承和端盖10与上手轮11固定连接。两根方形钢管2的前侧沿竖直方向开有条形孔6，两根水平杆9的一端分别穿过对应的两根方形钢管2的条形孔6与螺母式滑块8固定连接，两根水平杆9的另一端与对应的热端电极12和冷端电极24的上表面固定连接。

热端电极12的结构如图3所示：热端电极壳体28内装有热端可伸缩式电位探针29、热端热电偶26和单头加热器27；热端可伸缩式电位探针29位于热端电极壳体28的前部右侧，热端热电偶26位于热端电极壳体28的前部左侧，单头加热器27固定在热端电极壳体28的中间位置处，热端可伸缩式电位探针29的针尖向下伸出热端电极壳体28，热端可伸缩式电位探针29的针尖伸出热端电极壳体28的长度为5～8mm。

冷端电极24的结构如图4所示：冷端电极壳体31内装有冷端可伸缩式电位探针30和冷端热电偶32；冷端可伸缩式电位探针30位于冷端电极壳体31的前部左侧，冷端热电偶32位于冷端电极壳体31的前部右侧，冷端可伸缩式电位探针30的针尖向下伸出冷端电极壳体31，冷端可伸缩式电位探针30的针尖伸出冷端电极壳体31的长度为5～8mm。

所述水平移动系统的结构如图1和图2所示：

底板1的上表面沿前后方向固定有两根相互平行的第一滑轨21，两根第一滑轨21上对称地装有两块第一滑块3，四块第一滑块3的上表面固定有一块第一绝缘板20；两根第二滑轨19沿左右方向平行地固定在第一绝缘板20的上表面，两根第二滑轨19上对称地装有两块第二滑块4，四块第二滑块4的上表面固定有一块第二绝缘板18，两根第三滑轨17沿左右方向平行地固定在第二绝缘板18的上表面；两根第三滑轨17上对称地装有两块第三滑块5，第三滑块5的上表面左右对称地装有第三绝缘板16，两块第三绝缘板16上对称地装有夹持电极13。第二绝缘板18的左右两端处对称地装有固定杆15，固定杆15上端设有螺纹孔，水平丝杆25与固定杆15的螺纹孔螺纹连接，水平丝杆25的一端装有下手轮14，水平丝杆25的另一端装有圆盘22，圆盘装在夹持电极13的外侧卡槽23内。

所述测量系统的结构如图5所示：

一块夹持电极13与直流脉冲电源33的一个输出端连接，另一块夹持电极13通过高精度数字电流表38与直流脉冲电源33的另一个输出端连接。热端可伸缩式电位探针29和冷端可伸缩式电位探针30与高精度数字电压表34的正极和负极对应连接，热端热电偶26和冷端热电偶32与第一温度表35和第二温度表37对应连接。

使用所述装置测量电阻率和塞贝克系数的方法。

本实施例的待测试样36为P型MnSi_1.8试样，所述待测试样36是直径为10mm和纵向尺寸为50mm的圆柱体。

本实施例所述电阻率的测量方法是：

步骤1.1、如图6所示，先将待测试样36的一个待测面划分为2个待测区域；再将待测试样36的待测面朝上，沿纵向方向放入夹持电极13之间，旋动两侧的下手轮14，将待测试样36夹紧。

步骤1.2、依次开启高精度数字电压表34、高精度数字电流表38和直流脉冲电源33。

步骤1.3、移动第二绝缘板18或/和第一绝缘板20，将待测试样36的第1个待测区域移至热端可伸缩式电位探针29和冷端可伸缩式电位探针30的正下方；热端可伸缩式电位探针29和冷端可伸缩式电位探针30的中心距为15mm。

步骤1.4、分别旋动上手轮11，向下移动热端电极12和冷端电极24，使热端可伸缩式电位探针29和冷端可伸缩式电位探针30的针尖与待测试样36的第1个待测区域接触。

步骤1.5、读取并记录高精度数字电压表34显示对应的正电压U₁ ⁺和负电压U₁ ^-，同时读取并记录高精度数字电流表38显示对应的正向电流I₁ ⁺和反向电流I₁ ^-；正电压U₁ ⁺、负电压U₁ ^-、正向电流I₁ ⁺和反向电流I₁ ^-详见表1。

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ρ₁ ^-；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ρ₁ ^-的平均值为第1个待测区域的电阻率ρ₁。第1个待测区域电流正向阶段的电阻率ρ₁ ⁺、第1个待测区域电流反向阶段的电阻率ρ₁ ^-和第1个待测区域的电阻率ρ₁详见表1。

步骤1.7、以步骤1.3～步骤1.6类推，可测得第2个待测区域的电阻率ρ₂，详见表1。

表1圆柱体试样的待测区域为2时电阻率及其有关参数的测量结果

表1中：i为待测区域的序号，i为1～2的自然数；U_i ⁺和U_i ^-的单位为×10^-3V；I_i ⁺和I_i ^-的单位为A；ρ_i ⁺、ρ_i ^-和ρ_i的单位为×10^-5Ω·m。

步骤1.8、依次关闭直流脉冲电源33、高精度数字电压表34和高精度数字电流表38；再分别旋动上手轮11，向上移动热端电极12和冷端电极24；然后分别旋动下手轮14，取出待测试样36，测量结束。

本实施例所述塞贝克系数的测量方法是：

步骤2.1、如图6所示，先将待测试样36的一个待测面划分为2个待测区域；再将待测试样36的待测面朝上，沿纵向方向放入夹持电极13之间，旋动两侧的下手轮14，将待测试样36夹紧。

步骤2.2、依次开启高精度数字电压表34、第一温度表35和第二温度表37。

步骤2.3、移动第二绝缘板18或/和第一绝缘板20，将待测试样36的第1个待测区域移至热端电极壳体28和冷端电极壳体31的正下方。

步骤2.4、分别旋动上手轮11，向下移动热端电极12和冷端电极24，使热端电极壳体28和冷端电极壳体31的底面与待测试样36的第1个待测区域接触。

步骤2.5、开启单头加热器27。当第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值等于4℃时，作为第一个升温测量点，读取并记录高精度数字电压表34显示的电压U′₁₁、第一温度表35显示的温度和第二温度表37显示的温度以后每升高0.5℃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34显示的电压U′_1j、第一温度表35显示的温度和第二温度表37显示的温度当第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值大于10℃时，停止所述升温阶段的数据读取。高精度数字电压表34显示的电压U′_1j和第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值详见表2。

表2圆柱体试样的待测区域为2时升温塞贝克系数有关参数的测量结果

表2中：i为待测区域的序号，i为1～2的自然数；的单位为℃；U′_1j和U′_2j的单位为×10^-3V。

步骤2.6、关闭单头加热器27。当第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值等于10℃时，作为第一个降温测量点，读取并记录高精度数字电压表34显示的电压U″₁₁、第一温度表35显示的温度和第二温度表37显示的温度以后每降低0.5℃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34显示的电压U″_1k、第一温度表35显示的温度和第二温度表37显示的温度当第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值小于4℃时，停止所述降温阶段的数据读取。高精度数字电压表34显示的电压U″_1k和第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值详见表3。

表3圆柱体试样的待测区域为2时降温塞贝克系数有关参数测量结果

表3中：i为待测区域的序号，i为1～2的自然数；的单位为℃；U″_1k和U″_2k的单位为×10^-3V。

步骤2.7、如图9所示，根据步骤2.5，以为横坐标和U′_1j为纵坐标作图，对和所对应的U′_1j的数据进行线性拟合；所得直线的斜率为191.21，即第1个待测区域的升温塞贝克系数α′₁为191.21μV/℃。

如图10所示，根据步骤2.6，以为横坐标和U″_1k为纵坐标作图，对和所对应的的数据进行线性拟合，所得直线的斜率为191.72，即第1个待测区域的降温塞贝克系数α″₁为191.72μV/℃。

所述升温塞贝克系数α′₁、降温塞贝克系数α″₁的平均值则为第1个待测区域的塞贝克系数α₁，测量结果详见表4。

步骤2.8、以步骤2.3～2.7类推，可测得第2个待测区域的塞贝克系数α₂，详见表4。

表4圆柱体试样的待测区域为2时的塞贝克系数测量结果

表4中：i为待测区域的序号，i为1～2的自然数；α′_i、α″_i和α_i的单位为μV/℃。

步骤2.9、依次关闭高精度数字电压表34、第一温度表35和第二温度表37；再分别旋动上手轮11，向上移动热端电极12和冷端电极24；然后分别旋动下手轮14，取出待测试样36，测量结束。

在步骤2.5和步骤2.7中：j表示升温阶段的测量点的序号，j为1～13的自然数；在步骤2.6和步骤2.7中：k表示降温阶段的测量点的序号，k为1～13的自然数。

实施例2

一种测量电阻率和塞贝克系数的装置。本实施例所述装置同实施例1。

使用所述装置测量电阻率和塞贝克系数的方法。

本实施例的待测试样36为N型Bi₂Te_2.7Se_0.3试样，所述待测试样36是截面尺寸为20×20mm²和纵向尺寸为100mm的长方体。

本实施例所述电阻率的测量方法是：

步骤1.1、如图7所示，先将待测试样36的一个待测面划分为10个待测区域；再将待测试样36的待测面朝上，沿纵向方向放入夹持电极13之间，旋动两侧的下手轮14，将待测试样36夹紧。

步骤1.2～步骤1.4、同实施例1的步骤1.2～步骤1.4。

步骤1.5、读取并记录高精度数字电压表34显示对应的正电压U₁ ⁺和负电压U₁ ^-，同时读取并记录高精度数字电流表38显示对应的正向电流I₁ ⁺和反向电流I₁ ^-；正电压U₁ ⁺、负电压U₁ ^-、正向电流I₁ ⁺和反向电流I₁ ^-详见表5。

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ρ₁ ^-；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ρ₁ ^-的平均值为第1个待测区域的电阻率ρ₁。第1个待测区域电流正向阶段的电阻率ρ₁ ⁺、第1个待测区域电流反向阶段的电阻率ρ₁ ^-和第1个待测区域的电阻率ρ₁详见表5。

步骤1.7、以步骤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10个待测区域的电阻率ρ₁₀，详见表5。

表5长方体试样的待测区域为10时电阻率及其有关参数的测量结果

表5中：i为待测区域的序号，i为1～10的自然数；U_i ⁺和U_i ^-的单位为×10^-5V；I_i ⁺和I_i ^-的单位为A；ρ_i ⁺、ρ_i ^-和ρ_i的单位为×10^-5Ω·m。

步骤1.8、依次关闭直流脉冲电源33、高精度数字电压表34和高精度数字电流表38；再分别旋动上手轮11，向上移动热端电极12和冷端电极24；然后分别旋动下手轮14，取出待测试样36，测量结束。

本实施例所述塞贝克系数的测量方法是：

步骤2.1、如图7所示，先将待测试样36的一个待测面划分为10个待测区域；再将待测试样36的待测面朝上，沿纵向方向放入夹持电极13之间，旋动两侧的下手轮14，将待测试样36夹紧。

步骤2.2～步骤2.4、同实施例1的步骤2.2～步骤2.4。

步骤2.5、开启单头加热器27。当第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值等于4℃时，作为第一个升温测量点，读取并记录高精度数字电压表34显示的电压U′₁₁、第一温度表35显示的温度和第二温度表37显示的温度以后每升高0.8℃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34显示的电压U′_1j、第一温度表35显示的温度和第二温度表37显示的温度当第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值大于10℃时，停止所述升温阶段的数据读取。高精度数字电压表34显示的电压U′_1j和第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值详见表6。

表6长方体试样的待测区域为10时升温塞贝克系数有关参数的测量结果

表6中：i为待测区域的序号，i为1～10的自然数；的单位为℃；U′_ij的单位为×10^-3V。

步骤2.6、关闭单头加热器27。当第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值等于10℃时，作为第一个降温测量点，读取并记录高精度数字电压表34显示的电压U″₁₁、第一温度表35显示的温度和第二温度表37显示的温度以后每降低0.8℃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34显示的电压U″_1k、第一温度表35显示的温度和第二温度表37显示的温度当第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值小于4℃时，停止所述降温阶段的数据读取。高精度数字电压表34显示的电压U″_1k和第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值详见表7。

表7长方体试样的待测区域为10时降温塞贝克系数有关参数测量结果

表7中：i为待测区域的序号，i为1～10的自然数；的单位为℃；U″_ik的单位为×10^-3V。

步骤2.7、根据步骤2.5，以为横坐标和U′_1j为纵坐标作图，对和所对应的U′_1j的数据进行线性拟合，所得直线的斜率即为第1个待测区域的升温塞贝克系数α′₁。

根据步骤2.6，以为横坐标和U″_1k为纵坐标作图，对和所对应的U″_1k的数据进行线性拟合，所得直线的斜率为第1个待测区域的降温塞贝克系数α″₁。

所述升温塞贝克系数α′₁、降温塞贝克系数α″₁的平均值则为第1个待测区域的塞贝克系数α₁，测量结果详见表8。

步骤2.8、以步骤2.3～2.7类推，可测得第2个待测区域的塞贝克系数α₂，第3个待测区域的塞贝克系数α₃，……，第10个待测区域的塞贝克系数α₁₀，详见表8。

表8长方体试样的待测区域为10时的塞贝克系数测量结果

表8中：i为待测区域的序号，i为1～10的自然数；α′_i、α″_i和α_i的单位为μV/℃。

步骤2.9、依次关闭高精度数字电压表34、第一温度表35和第二温度表37；再分别旋动上手轮11，向上移动热端电极12和冷端电极24；然后分别旋动下手轮14，取出待测试样36，测量结束。

在步骤2.5和步骤2.7中：j表示升温阶段的测量点的序号，j为1～8的自然数；在步骤2.6和步骤2.7中：k表示降温阶段的测量点的序号，k为1～8的自然数。

实施例3

一种测量电阻率和塞贝克系数的装置。本实施例所述装置同实施例1。

使用所述装置测量电阻率和塞贝克系数的方法。

本实施例的待测试样36为P型的Bi_0.5Sb_1.5Te₃试样，所述试样是直径为40mm和纵向尺寸为400mm的圆柱体。

本实施例所述电阻率的测量方法是：

步骤1.1、如图8所示，先将待测试样36的一个待测面划分为20个待测区域；再将待测试样36的待测面朝上，沿纵向方向放入夹持电极13之间，旋动两侧的下手轮14，将待测试样36夹紧。

步骤1.2～步骤1.4、同实施例1的步骤1.2～步骤1.4。

步骤1.5、读取并记录高精度数字电压表34显示对应的正电压U₁ ⁺和负电压U₁ ^-，同时读取并记录高精度数字电流表38显示对应的正向电流I₁ ⁺和反向电流I₁ ^-；正电压U₁ ⁺、负电压U₁ ^-、正向电流I₁ ⁺和反向电流I₁ ^-详见表9。

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ρ₁ ^-；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ρ₁ ^-的平均值为第1个待测区域的电阻率ρ₁。第1个待测区域电流正向阶段的电阻率ρ₁ ⁺、第1个待测区域电流反向阶段的电阻率ρ₁ ^-和第1个待测区域的电阻率ρ₁详见表9。

步骤1.7、以步骤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20个待测区域的电阻率ρ₂₀，详见表9。

表9圆柱体试样的待测区域为20时电阻率及其有关参数的测量结果

表9中：i为待测区域的序号，i为1～20的自然数；U_i ⁺和U_i ^-的单位为×10^-5V；I_i ⁺和I_i ^-的单位为A；ρ_i ⁺、ρ_i ^-和ρ_i的单位为×10^-5Ω·m。

步骤1.8、依次关闭直流脉冲电源33、高精度数字电压表34和高精度数字电流表38；再分别旋动上手轮11，向上移动热端电极12和冷端电极24；然后分别旋动下手轮14，取出待测试样36，测量结束。

本实施例所述塞贝克系数的测量方法是：

步骤2.1、如图8所示，先将待测试样36的一个待测面划分为20个待测区域；再将待测试样36的待测面朝上，沿纵向方向放入夹持电极13之间，旋动两侧的下手轮14，将待测试样36夹紧。

步骤2.2～步骤2.4、同实施例1的步骤2.2～步骤2.4。

步骤2.5、开启单头加热器27。当第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值等于4℃时，作为第一个升温测量点，读取并记录高精度数字电压表34显示的电压U′₁₁、第一温度表35显示的温度和第二温度表37显示的温度以后每升高1℃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34显示的电压U′_1j、第一温度表35显示的温度和第二温度表37显示的温度当第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值大于10℃时，停止所述升温阶段的数据读取。高精度数字电压表34显示的电压U′_1j和第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值详见表10。

表10圆柱体试样的待测区域为20时升温塞贝克系数有关参数的测量结果

表10中：i为待测区域的序号，i为1～10的自然数；的单位为℃；U′_ij的单位为×10^-3V。

步骤2.6、关闭单头加热器27。当第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值等于10℃时，作为第一个降温测量点，读取并记录高精度数字电压表34显示的电压U″₁₁、第一温度表35显示的温度和第二温度表37显示的温度以后每降低1℃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34显示的电压U″_1k、第一温度表35显示的温度和第二温度表37显示的温度当第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值小于4℃时，停止所述降温阶段的数据读取。高精度数字电压表34显示的电压U″_1k和第一温度表35显示的温度与第二温度表37显示的温度的差值详见表11。

表11圆柱体试样的待测区域为20时降温塞贝克系数有关参数的测量结果

表11中：i为待测区域的序号，i为1～20的自然数；的单位为℃；U″_ik的单位为×10^-3V。

步骤2.7、根据步骤2.5，以为横坐标和U′_1j为纵坐标作图，对和所对应的U′_1j的数据进行线性拟合，所得直线的斜率即为第1个待测区域的升温塞贝克系数α′₁。

根据步骤2.6，以为横坐标和U″_1k为纵坐标作图，对和所对应的U″_1k的数据进行线性拟合，所得直线的斜率为第1个待测区域的降温塞贝克系数α″₁。

所述升温塞贝克系数α′₁、降温塞贝克系数α″₁的平均值则为第1个待测区域的塞贝克系数α₁，测量结果详见表12。

步骤2.8、以步骤2.3～2.7类推，可测得第2个待测区域的塞贝克系数α₂，第3个待测区域的塞贝克系数α₃，……，第20个待测区域的塞贝克系数α₂₀，详见表12。

表12圆柱体试样的待测区域为10时的塞贝克系数测量结果

表12中：i为待测区域的序号，i为1～20的自然数；α′_i、α″_i和α_i的单位为μV/℃。

步骤2.9、依次关闭高精度数字电压表34、第一温度表35和第二温度表37；再分别旋动上手轮11，向上移动热端电极12和冷端电极24；然后分别旋动下手轮14，取出待测试样36，测量结束。

在步骤2.5和步骤2.7中：j表示升温阶段的测量点的序号，j为1～7的自然数；在步骤2.6和步骤2.7中：k表示降温阶段的测量点的序号，k为1～7的自然数。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

1)传统高精度电阻率及塞贝克系数的测量系统只能测量横向截面尺寸为(2～5)×(2～5)mm²和纵向尺寸为5～20mm的长方体小试样，而本具体实施方式不仅适用于长方体小试样，且适用于较大尺寸的圆柱体试样和较大尺寸的长方体试样。测量时待测试样36无需破坏，保护待测试样36的完整性，简化测量程序，满足企业生产过程中测量需求。

2)传统高精度电阻率及塞贝克系数的测量系统只能测量待测试样待测面的单一区域，本具体实施方式可直接测量待测试样36待测面的不同区域的电阻率和塞贝克系数，可表征待测试样36的性能的均匀性，对待测试样36的性能的评价更加客观真实。

3)采用直流脉冲电源33代替传统的直流稳压电源，能直接得到正向电流和反向电流，测试过程更简便。

4)本装置测量精度高、测量结果重复性好、简单可靠和制造成本低。

因此，本具体实施方式能实现对长方体试样和圆柱体试样在不同的区域的电阻率和塞贝克系数的直接测量，测量精度高。

Claims (3)

1.一种测量电阻率和塞贝克系数的装置，其特征在于所述装置由升降系统、水平移动系统和测量系统组成；

所述升降系统的结构是：

底板(1)的上表面后侧对称地固定有两根方形钢管(2)，方形钢管(2)内由下往上依次装有下轴承、螺母式滑块(8)、上轴承和端盖(10)，竖直丝杆(7)的下端安装在下轴承内，竖直丝杆(7)的中部与螺母式滑块(8)螺纹连接，竖直丝杆(7)的上端穿出上轴承和端盖(10)与上手轮(11)固定连接；两根方形钢管(2)的前侧沿竖直方向开有条形孔(6)，两根水平杆(9)的一端分别穿过对应的两根方形钢管(2)的条形孔(6)与螺母式滑块(8)固定连接，两根水平杆(9)的另一端与对应的热端电极(12)和冷端电极(24)的上表面固定连接；

热端电极(12)的结构是：热端电极壳体(28)内装有热端可伸缩式电位探针(29)、热端热电偶(26)和单头加热器(27)；热端可伸缩式电位探针(29)位于热端电极壳体(28)的前部右侧，热端热电偶(26)位于热端电极壳体(28)的前部左侧，单头加热器(27)固定在热端电极壳体(28)的中间位置处，热端可伸缩式电位探针(29)的针尖向下伸出热端电极壳体(28)，热端可伸缩式电位探针(29)的针尖伸出热端电极壳体(28)的长度为5～8mm；

冷端电极(24)的结构是：冷端电极壳体(31)内装有冷端可伸缩式电位探针(30)和冷端热电偶(32)；冷端可伸缩式电位探针(30)位于冷端电极壳体(31)的前部左侧，冷端热电偶(32)位于冷端电极壳体(31)的前部右侧，冷端可伸缩式电位探针(30)的针尖向下伸出冷端电极壳体(31)，冷端可伸缩式电位探针(30)的针尖伸出冷端电极壳体(31)的长度为5～8mm；

所述水平移动系统的结构是：

底板(1)的上表面沿前后方向固定有两根相互平行的第一滑轨(21)，两根第一滑轨(21)上对称地装有两块第一滑块(3)，四块第一滑块(3)的上表面固定有一块第一绝缘板(20)，两根第二滑轨(19)沿左右方向平行地固定在第一绝缘板(20)的上表面，两根第二滑轨(19)上对称地装有两块第二滑块(4)，四块第二滑块(4)的上表面固定有一块第二绝缘板(18)，两根第三滑轨(17)沿左右方向平行地固定在第二绝缘板(18)的上表面，两根第三滑轨(17)上对称地装有两块第三滑块(5)，第三滑块(5)的上表面左右对称地装有第三绝缘板(16)，两块第三绝缘板(16)上对称地装有夹持电极(13)；第二绝缘板(18)的左右两端处对称地装有固定杆(15)，固定杆(15)上端设有螺纹孔，水平丝杆(25)与固定杆(15)的螺纹孔螺纹连接，水平丝杆(25)的一端装有下手轮(14)，水平丝杆(25)的另一端装有圆盘(22)，圆盘装在夹持电极(13)的外侧卡槽(23)内；

所述测量系统的结构是：

一块夹持电极(13)与直流脉冲电源(33)的一个输出端连接，另一块夹持电极(13)通过高精度数字电流表(38)与直流脉冲电源(33)的另一个输出端连接；热端可伸缩式电位探针(29)和冷端可伸缩式电位探针(30)与高精度数字电压表(34)的正极和负极对应连接，热端热电偶(26)和冷端热电偶(32)与第一温度表(35)和第二温度表(37)对应连接。

2.如权利要求1所述的测量电阻率和塞贝克系数的装置的使用方法，其特征在于所述使用方法是指利用所述装置对电阻率和塞贝克系数的测量方法：

电阻率的测量方法：

步骤1.1、先将待测试样(36)的一个待测面划分为n个待测区域；再将待测试样(36)的待测面朝上，沿纵向方向放入夹持电极(13)之间，旋动两侧的下手轮(14)，将待测试样(36)夹紧；

步骤1.2、依次开启高精度数字电压表(34)、高精度数字电流表(38)和直流脉冲电源(33)；

步骤1.3、移动第二绝缘板(18)或/和第一绝缘板(20)，将待测试样(36)的第1个待测区域移至热端可伸缩式电位探针(29)和冷端可伸缩式电位探针(30)的正下方；

步骤1.4、分别旋动上手轮(11)，向下移动热端电极(12)和冷端电极(24)，使热端可伸缩式电位探针(29)和冷端可伸缩式电位探针(30)的针尖与待测试样(36)的第1个待测区域接触；

步骤1.5、读取并记录高精度数字电压表(34)显示对应的正电压U₁ ⁺和负电压U₁ ^-，同时读取并记录高精度数字电流表(38)显示对应的正向电流I₁ ⁺和反向电流I₁ ^-；

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ρ₁ ^-；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ρ₁ ^-的平均值为第1个待测区域的电阻率ρ₁；

步骤1.7、以步骤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n个待测区域的电阻率ρ_n；

步骤1.8、依次关闭直流脉冲电源(33)、高精度数字电压表(34)和高精度数字电流表(38)；再分别旋动上手轮(11)，向上移动热端电极(12)和冷端电极(24)；然后分别旋动下手轮(14)，取出待测试样(36)，测量结束；

在步骤1.1和步骤1.7中：n表示待测区域数，n为1～20的自然数；

塞贝克系数的测量方法：

步骤2.1、先将待测试样(36)的一个待测面划分为n个待测区域；再将待测试样(36)的待测面朝上，沿纵向方向放入夹持电极(13)之间，旋动两侧的下手轮(14)，将待测试样(36)夹紧；

步骤2.2、依次开启高精度数字电压表(34)、第一温度表(35)和第二温度表(37)；

步骤2.3、移动第二绝缘板(18)或/和第一绝缘板(20)，将待测试样(36)的第1个待测区域移至热端电极壳体(28)和冷端电极壳体(31)的正下方；

步骤2.4、分别旋动上手轮(11)，向下移动热端电极(12)和冷端电极(24)，使热端电极壳体(28)和冷端电极壳体(31)的底面与待测试样(36)的第1个待测区域接触；

步骤2.5、开启单头加热器(27)；当第一温度表(35)显示的温度与第二温度表(37)显示的温度的差值等于4℃时，作为第一个升温测量点，读取并记录高精度数字电压表(34)显示的电压U′₁₁、第一温度表(35)显示的温度和第二温度表(37)显示的温度以后每升高0.5～1℃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(34)显示的电压U′_1j、第一温度表(35)显示的温度和第二温度表(37)显示的温度当第一温度表(35)显示的温度与第二温度表(37)显示的温度的差值大于10℃时，停止所述升温阶段的数据读取；

步骤2.6、关闭单头加热器(27)；当第一温度表(35)显示的温度与第二温度表(37)显示的温度的差值等于10℃时，作为第一个降温测量点，读取并记录高精度数字电压表(34)显示的电压U″₁₁、第一温度表(35)显示的温度和第二温度表(37)显示的温度以后每降低0.5～1℃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(34)显示的电压U″_1k、第一温度表(35)显示的温度和第二温度表(37)显示的温度当第一温度表(35)显示的温度与第二温度表(37)显示的温度的差值小于4℃时，停止所述降温阶段的数据读取；

步骤2.7、根据步骤2.5，以为横坐标和U′_1j为纵坐标作图，对和所对应的U′_1j的数据进行线性拟合，所得直线的斜率为第1个待测区域的升温塞贝克系数α′₁；

根据步骤2.6，以为横坐标和U″_1k为纵坐标作图，对和所对应的U″_1k的数据进行线性拟合，所得直线的斜率为第1个待测区域的降温塞贝克系数α″₁；

升温塞贝克系数α′₁和降温塞贝克系数α″₁的平均值则为第1个待测区域的塞贝克系数α₁；

步骤2.8、以步骤2.3～2.7类推，可测得第2个待测区域的塞贝克系数α₂，第3个待测区域的塞贝克系数α₃，……，第n个待测区域的塞贝克系数α_n；

步骤2.9、依次关闭高精度数字电压表(34)、第一温度表(35)和第二温度表(37)；再分别旋动上手轮(11)，向上移动热端电极(12)和冷端电极(24)；然后分别旋动下手轮(14)，取出待测试样(36)，测量结束；

在步骤2.1和步骤2.8中：n表示待测区域数，n为1～20的自然数；在步骤2.5和步骤2.7中：j表示升温阶段的测量点的序号，j为1～m的自然数，m表示升温阶段的测量点数；在步骤2.6和步骤2.7中：k表示降温阶段的测量点的序号，k为1～s的自然数，s表示降温阶段的测量点数。

3.根据权利要求2中所述测量电阻率和塞贝克系数的装置的测量方法，其特征在于所述待测试样(36)为长方体试样或圆柱体试样；所述待测试样(36)的材质为半导体材料。