專利名稱：一種半導(dǎo)體熱電性能測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種多功能的半導(dǎo)體熱電性能測試儀。
技術(shù)背景目前，熱電材料研究已成為材料領(lǐng)域的一個熱點。但是，還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)的測試設(shè)備， 而且測試設(shè)備價格較高。國內(nèi)、外多數(shù)研究熱電的課題組大都是自己設(shè)計研制測試設(shè)備，然 而設(shè)備的測試功能單一，只測電導(dǎo)率或Seebeck系數(shù)，較少的可同時測電導(dǎo)率和Seebeck系 數(shù)。實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是為了提供一種半導(dǎo)體熱電性能測試儀，可同時測電導(dǎo)率和Seebeck 系數(shù)，解決了現(xiàn)有的測試設(shè)備測試功能單一，而且價格較高的問題。 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用了以下技術(shù)方案本實用新型公開了一種半導(dǎo)體熱電性能測試儀，包括一帶有測溫及溫控裝置的加熱爐， 加熱爐內(nèi)設(shè)有樣品臺以及試樣夾具，加熱爐外設(shè)有一保溫密封罩， 一數(shù)據(jù)采集裝置與加熱爐 的數(shù)據(jù)采集端口連接， 一亳安級小電流方波發(fā)生器為試樣提供測試電壓， 一計算機分別與電 流方波發(fā)生器以及數(shù)據(jù)采集裝置電信號連接，其特征在于加熱爐內(nèi)還設(shè)有測試Seebeck系 數(shù)所需的小溫差的微加熱裝置，所述的微加熱裝置為一電阻絲熱源，設(shè)置于試樣夾具兩端銅 塊夾頭的其中一塊處。其中，所述的保溫密封罩的腔內(nèi)為真空或充有惰性氣體。本實用新型裝置的優(yōu)點在于可測電導(dǎo)率、Seebeck系數(shù)及ZT值，裝置簡單實用、成本 低、測溫范圍為室溫至60(TC，操作方便，測試功能多，測試精度高，重復(fù)性好。


圖1是本實用新型的電路結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本實用新型的測量Seebeck系數(shù)實驗示意圖。 圖3是本實用新型的四探針法測量電導(dǎo)率實驗示意圖。 圖4是本實用新型的熱電優(yōu)值直接測量原理圖。圖5是溫度為399K時測試AgPb2oSbSe20試樣的Seebeck系數(shù)時得到的Seebeck電勢與小溫差的關(guān)系曲線圖。圖6是溫度為330K時測試AgPb加SbTe加試樣的Seebeck系數(shù)時得到的Seebeck電勢與小 溫差的關(guān)系曲線圖。圖7是溫度為622K時測試單晶BasGanSbGe28試樣的Seebeck系數(shù)時得到的Seebeck電勢 與小溫差的關(guān)系曲線圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述。一種半導(dǎo)體熱電性能測試儀，如圖1所示，l.保溫、密封罩；2.加熱爐；3.測試電壓導(dǎo) 線；4熱電偶及導(dǎo)線；5.石英玻璃罩；6.微熱源導(dǎo)線；7.微熱源裝置；8.氧化鋁樣品臺；9. 基臺；IO.導(dǎo)線轉(zhuǎn)接頭；ll.底座；12.進氣口； 13.出氣口或抽真空；14.平衡支架。其中導(dǎo)線 轉(zhuǎn)接頭10與外部電阻絲電源、測溫及溫控系統(tǒng)、微加熱電源、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相 連接。測試儀包括一帶有測溫及溫控裝置的加熱爐，加熱爐內(nèi)設(shè)有石英玻璃罩，石英玻璃罩內(nèi)設(shè)有樣品臺、試樣夾具、電熱偶以及測試Seebeck系數(shù)所需的小溫差的微加熱裝置，加熱爐外設(shè)有一保溫密封罩，測試儀還包括一數(shù)據(jù)采集裝置與加熱爐的數(shù)據(jù)采集端口連接， 一毫安級小電流方波發(fā)生器為試樣提供測試電壓， 一計算機分別與電流方波發(fā)生器以及數(shù)據(jù)采集裝置電信號連接。所述的微加熱裝置為一電阻絲熱源，設(shè)置于試樣夾具兩端銅塊夾頭的其中一塊處。所述的保溫密封罩的腔內(nèi)為真空或充有惰性氣體。計算機用VB程序控制熱電性能測試儀的數(shù)據(jù)采集及開關(guān)單元(Agilent34970A)和波發(fā)生器(Agilent33220A)。計算機通過RS-232串口與Agilent34970A實現(xiàn)通訊，通過USB串口與Agilent33220A實現(xiàn)通訊。具體測試原理說明如下 1、 Seebeck系數(shù)的測量根據(jù)Seebeck系數(shù)的定義，被測材料s,和參考材料r之間的相對塞貝克系數(shù)c^,可以表示為asr = limi (1)可見，Seebeck系數(shù)的測量實際上涉及到溫差A(yù)r和相對該溫差產(chǎn)生的Seebeck電壓P;的測量。 當(dāng)試樣兩端溫度為TV、，T2時，試樣兩端間的Seebeck電勢為U (1\,，、丁2)，<formula>formula see original document page 5</formula> (2)其中a。(r)是溫度為T時試樣相對試樣兩端接觸材料的Seebeck系數(shù)。 令L- <formula>formula see original document page 5</formula>在T。處展開得到:<formula>formula see original document page 5</formula> (3) 將(3)式代入(2)式得到<formula>formula see original document page 5</formula>(4)當(dāng)厶T/ T。很小時(4)式的第二項及其高次項可忽略，即<formula>formula see original document page 5</formula> (5)因此，要測定材料在某一溫度T。時的a。(7;)，可在試樣兩端施加一小溫差A(yù)T,測出試樣在此時的Seebeck電勢來求得。為了在試樣兩端造成一溫差，我們設(shè)計了一個2cmX1.5cm的電阻絲加熱小熱源，放在夾 試樣一端的銅塊下面，通過小熱源發(fā)熱，由銅塊傳遞給試樣的一端而造成試樣兩端的小溫差。對于溫差的選擇，從(4)式可知AT是越小越好，但由于測試試樣兩端的熱電偶本身有 絕對誤差，因此采用太小的溫差顯然會增加誤差，而采用太大的溫差，忽略(4)式的高次項 也會帶來較大誤差。經(jīng)大量實驗表明溫差在10 15K之間，測試誤差<10%，這對Seebeck系 數(shù)的測試是可以接受的。測量Seebeck系數(shù)的實驗如圖2所示。其中，由Agilent34970A測 電勢(精確到100nV)。選擇平均溫度為T。，不同AT時的熱電勢做U-AT的關(guān)系曲線，當(dāng)厶T 較小時(10 15K),從(5)式可知該曲線是線性的，用最小二乘法擬合可得到該曲線的斜率，這個斜率即為試樣相對K型熱電偶正極Ni-Cr的Seebeck系數(shù)"。?？鄢齆i-Cr的絕對Seebeck系數(shù)后試樣的絕對Seebeck系數(shù)為<formula>formula see original document page 5</formula> (6)2、電導(dǎo)率的測量電導(dǎo)率(T是在恒溫條件下(即在材料中溫度梯度厶T-O時)和只存在恒定電場時測定的。 一般用已知電流通過被測樣品，然后測定試樣兩端的電勢，電導(dǎo)率由下式求出<formula>formula see original document page 5</formula> (7)其中I為通過試樣的電流，V為試樣兩端電勢，/為試樣長度，A為垂直于電流方向上的試樣 的截面積，R為試樣的電阻。電導(dǎo)率測量的方法有很多種， 一般釆用兩線法或四線法，我們在測量電導(dǎo)率時釆用了四線法。 如圖3所示。四線法測電導(dǎo)率雖然精確但如果處理不當(dāng)也會產(chǎn)生誤差。首先是通電流的導(dǎo)線與樣品兩
端的接觸問題，若接觸不良可能會引入一個較大的接觸電阻而產(chǎn)生較大的誤差。我們是將兩 根金屬導(dǎo)線用銀膠固定到試樣兩端的銅塊上，然后用兩銅塊將試樣夾緊，因為銅的導(dǎo)電、導(dǎo) 熱性能良好，所以保證了試樣兩端與導(dǎo)線良好的接觸。其次是測試電勢的兩導(dǎo)線與樣品的接 觸問題。我們用銀膠將鉑絲(<1>=0.025咖)粘接在試樣中軸線附近，并使兩個點的距離盡量 接近。銀膠經(jīng)熱處理(12(TCx2小時)后固化保證了鉑絲與試樣之間的良好接觸。如果通入的電流太大，會產(chǎn)生焦耳熱同時會產(chǎn)生Peltier效應(yīng)，為了避免由此帶來的誤差， 必須通入電流要足夠小，測試速度要快。另外，在實際測試過程中由于爐膛本身的原因以及 爐內(nèi)氣氛影響試樣兩端或多或少地存在溫差，這種溫差會引起由于Seebeck效應(yīng)。對于性能好的熱電材料，Seebeck系數(shù)較大，產(chǎn)生的Seebeck電勢可能與試樣上的壓降(「)在一個數(shù)量級上，這樣會引起較大的誤差。由于這種溫度梯度產(chǎn)生的Seebeck電勢不隨電流方向 的改變而改變，因而可以采用改變電流方向測出通正向、反向電流時得到的電阻求平均來消 除誤差。我們用Agilent33220A波發(fā)生器輸入幅值為 10 mA、頻率為0. 25Hz (周期為4S) 的正反向脈沖電流來測量試樣的電導(dǎo)率。粘接在試樣上鉑絲間的電勢值是在通脈沖1S、 3S時 測得。即<formula>formula see original document page 6</formula>通正向電流時 通反向電流時 則即如果V+與"-、<formula>formula see original document page 6</formula>及與L嚴(yán)格的相等，那么<formula>formula see original document page 6</formula>3、 ZT值的測量獲得熱電優(yōu)值的基本方法是分別測出電導(dǎo)率、Seebeck系數(shù)和熱導(dǎo)率等幾個參數(shù)，然后根 據(jù)優(yōu)值的定義計算出被測試樣的熱電優(yōu)值。Harman提出了一個直接測量熱電優(yōu)值的簡單方法。 這種方法利用被測試樣中同時存在Peltier效應(yīng)和Seebeck效應(yīng)以及熱電優(yōu)值的定義，其原 理圖如4所示。如對被測試樣施加一直流電流I，由于Peltier效應(yīng)，熱量會從被測試樣的一端傳到另一 端使得樣品一端的溫度升高，而另一端溫度下降，出現(xiàn)溫差A(yù)T。根據(jù)Peltier效應(yīng)，其傳熱 速率可以表示為 另一方面，由于溫差的建立，將會引起沿相反于Peltier傳熱方向的熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)速率為假設(shè)在此過程中，被測樣品與外界無熱交換，則當(dāng)樣品中兩個相反傳熱過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時， 必須滿足a/T = *r(J")Ar (14)(14)式中，AT就是穩(wěn)態(tài)時樣品兩端產(chǎn)生的溫差。顯然，由于溫差的存在，將會在被測樣品的純電阻R引起的電壓降VB上疊加一個由于Seebeck效應(yīng)而引入的Seebeck電壓V 。此時被 測樣品兩端的總電壓V,應(yīng)為將(14)中求得的溫差A(yù)r代入(15)可以得到<formula>formula see original document page 7</formula>^ (16)即得到:<formula>formula see original document page 7</formula>^ (17)可見，只要通過適當(dāng)?shù)膶嶒灠才?，測出V和^，就可以確定出材料的熱電優(yōu)值。具體的方 法是將被測樣品懸掛在真空系統(tǒng)中，然后對樣品通一個直流電流，迅速測其端電壓，可得到 Vb,然后，待達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，測得端電壓V,即可得到ZT值。Harman法測量ZT值的裝置要保證精度，關(guān)鍵在于要保證系統(tǒng)的絕熱條件。因此，測量裝 置內(nèi)必須具有髙真空度和很好的絕熱配置，從而盡可能的減小被測樣品與外界的熱交換，包 括以熱傳導(dǎo)、熱輻射等引起的熱交換。本實驗中用銅塊將試樣懸夾在空中，盡量避免其與周 圍的傳熱，同時采用真空泵抽真空測試。實例l:圖5為溫度為 399K時，測試AgPb2。SbSe加試樣的Seebeck系數(shù)時得到的Seebeck電勢 與小溫差的關(guān)系曲線。可見線性性非常好。實例2:圖6的為溫度為 330K時測試AgPb加SbTe2。試樣的Seebeck系數(shù)時得到的Seebeck電 勢與小溫差的關(guān)系曲線?？梢娋€性性也非常好。實例3:圖7的為溫度為 622K時測試單晶BasGa,7SbGe2s試樣的Seebeck系數(shù)時得到的Seebeck 電勢與小溫差的關(guān)系曲線。可見線性性也非常好。 用最小二乘法擬合得到斜率即材料相對熱電偶正極的Seebeck系數(shù)，經(jīng)扣除熱電偶正極 的Seebeck后即得到材料的Seebeck系數(shù)。4.下面是測試AgPb18SbSe19Te在405. 819K時電阻和對應(yīng)電導(dǎo)率的一組數(shù)據(jù)5. 63241757904806E—0299. 81839639271625.63719524433282E-0299.73379778178385.63361336668535E—0299.79720899546145.64376110580912E—0299.61776907531255.66345320497361E—0299.27139330134935.64316321199047E-0299.62832358988525.62824329284634E-0299.89242847218765.6545012534871犯-0299.42855529619035.66583929498379E-0299.2295865243617平均電導(dǎo)率99.6019399365831溫度405.819可見數(shù)據(jù)很穩(wěn)定。5.下面是測試AgPb2oSbTew在485.77K時電阻和對應(yīng)電導(dǎo)率的一組數(shù)據(jù):.23324745202396520.3381986637538.23199775862019520.4477536562927.23348518736794820.3174902466168.23480189266693520.2035552746029.23415569853020320.2593105649569.23650262767312520.0582676977033.23517370783136420.1716129784349.23631974571159720.0737902911724.23770957017718819.956424192521平均電導(dǎo)率20.2029337295616溫度485.7權(quán)利要求1、一種半導(dǎo)體熱電性能測試儀，包括一帶有測溫及溫控裝置的加熱爐，加熱爐內(nèi)設(shè)有樣品臺以及試樣夾具，加熱爐外設(shè)有一保溫密封罩，一數(shù)據(jù)采集裝置與加熱爐的數(shù)據(jù)采集端口連接，一電流方波發(fā)生器為試樣提供測試電壓，一計算機分別與電流方波發(fā)生器以及數(shù)據(jù)采集裝置電信號連接，其特征在于加熱爐內(nèi)還設(shè)有一微加熱裝置，所述的微加熱裝置為一電阻絲熱源，設(shè)置于試樣夾具兩端銅塊夾頭的其中一塊處。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種半導(dǎo)體熱電性能測試儀，其特征在于所述的保溫密封罩 的腔內(nèi)為真空或充有惰性氣體。
專利摘要本實用新型涉及一種半導(dǎo)體熱電性能測試儀，其特征在于包含提供中溫環(huán)境的加熱設(shè)備、氧化鋁樣品臺、微熱源、紫銅樣品夾具、測試導(dǎo)線和熱電偶與夾具及樣品連接后與波發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集儀及計算機連接。本實用新型裝置的優(yōu)點在于可測電導(dǎo)率、Seebeck系數(shù)及ZT值，裝置簡單實用、成本低、測溫范圍為室溫至600℃，操作方便，測試功能多，測試精度高，重復(fù)性好。
文檔編號G01N27/14GK201016950SQ200720067899
公開日2008年2月6日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者沖 嚴(yán), 張愛霞, 蔡克峰, 賀香榮 申請人:同濟大學(xué)