技术领域
[0001] 本实用新型属于半导体材料测量装置技术领域。具体涉及一种半导体材料电阻率和塞贝克系数的测量装置。
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(见孙以材.半导体测量技术[M].北京:
冶金工业出版社,1984:7～24)。
[0003] 半导体材料的塞贝克系数的测量装置分为两种：一种是静态法装置；另一种是动态法装置。静态法装置是在待测试样的两端产生一个固定的温差，对应的塞贝克
电压与该温差的比值即为塞贝克系数。动态法装置是保持待测试样的一端
温度恒定，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，对该温差和所对应的塞贝克电压进行线性拟合，所得直线的斜率即为塞贝克系数(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)。上述两种装置相比较，静态法装置的
缺陷是
精度较低，测量结果重复性差；动态法装置的缺陷是相对费时。
[0004] 现有的高精度电阻率及塞贝克系数的测量装置，如日本的ZEM系列测量装置、德国的Linseis系列测量装置等，待测试样要求为横向截面尺寸为(2～5)×(2～5)mm2、纵向尺寸为5～15mm的长方体小试样，对于更大尺寸的大
块试样，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大块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
[0005] 本实用新型的目的是克服
现有技术的缺陷，目的是提供一种半导体材料电阻率和塞贝克系数的测量装置，该装置能实现对长方体试样或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。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：该装置由升降系统、
水平移动系统和测量系统组成。
[0007] 所述升降系统是：
[0008]
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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 所述水平移动系统是：
[0012] 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。
[0013] 所述测量系统是：
[0014] 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。
[0015] 利用本装置能实现对长方体试样或圆柱体试样在不同区域的电阻率和塞贝克系数的直接测量。所述电阻率的测量方法是：
[0016] 先将待测试样的待测面划分为n个待测区域，再将待测试样放入夹持电极之间夹紧；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，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。
[0017] 记录高精度数字电压表显示对应的正电压和负电压，同时记录高精度数字电流表显示对应的正向电流和反向电流。根据四探针法，分别得到电流正向阶段的电阻率和电流反向阶段的电阻率；所述电流正向阶段的电阻率和电流反向阶段的电阻率的平均值为第1个待测区域的电阻率ρ1。
[0018] 以此类推，测得第2个待测区域的电阻率ρ2,……,第n个待测区域的电阻率ρn。
[0019] 所述塞贝克系数的测量方法是：
[0020] 先将待测试样的待测面划分为n个待测区域，再将待测试样放入夹持电极间夹紧；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，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。
[0021] 开启单头加热器，以第一温度表和第二温度表的温差为4℃时为第一个升温测量点，以后每升高0.5～1℃为一个测量点，直至两块温度表的温差大于10℃时结束。记录各测量点的两块温度表的温差，同时记录各测量点的高精度数字电压表显示的电压。以所述温差为横坐标和所述电压为纵坐标作图，线性拟合的直线的斜率为升温塞贝克系数。
[0022] 关闭单头加热器，以第一温度表和第二温度表的温差为10℃时为第一个降温测量点，以后每降低0.5～1℃为一个测量点，直至两块温度表的温差小于4℃时结束。记录各测量点的两块温度表的温差，同时记录各测量点的高精度数字电压表显示的电压。以所述温差为横坐标和所述电压为纵坐标作图，线性拟合的直线的斜率为降温塞贝克系数。
[0023] 所述升温塞贝克系数和降温塞贝克系数的平均值则为第1个待测区域的塞贝克系数α1。
[0024] 以此类推，则测得第2个待测区域的塞贝克系数α2，……，第n个待测区域的塞贝克系数αn。
[0025] 由于采用上述技术方案，本实用新型与现有技术相比具有如下积极效果：
[0026] 1)传统高精度电阻率及塞贝克系数的测量装置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，而本实用新型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。
[0027] 2)传统高精度电阻率及塞贝克系数的测量装置只能测量待测试样待测面的单一区域，本实用新型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。
[0028] 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，无需手动控制电流变向，测试过程更简便。
[0029] 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。
[0030] 因此，本实用新型能实现对长方体试样和圆柱体试样在不同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
[0031] 图1是本实用新型的一种结构示意图；
[0032] 图2为图1的右视结构示意图；
[0033] 图3为图2中12的俯视示意图；
[0034] 图4为图2中24的俯视示意图；
具体实施方式
[0036] 下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
[0038] 一种半导体材料电阻率和塞贝克系数的测量。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。
[0039] 所述升降系统的结构如图1和图2所示：
[0040] 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。
[0041] 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。
[0042] 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。
[0043] 所述水平移动系统的结构如图1和图2所示：
[0044] 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。
[0045] 所述测量系统的结构如图5所示：
[0046] 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。
[0047] 利用本装置能实现对长方体试样或圆柱体试样在不同区域的电阻率和塞贝克系数的直接测量。所述电阻率的测量方法是：
[0048] 先将待测试样36的待测面划分为n个待测区域，再将待测试样36放入夹持电极13之间夹紧；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，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。
[0049] 记录高精度数字电压表34显示对应的正电压和负电压，同时记录高精度数字电流表38显示对应的正向电流和反向电流。根据四探针法，分别得到电流正向阶段的电阻率和电流反向阶段的电阻率；所述电流正向阶段的电阻率和电流反向阶段的电阻率的平均值为第1个待测区域的电阻率ρ1。
[0050] 以此类推，测得第2个待测区域的电阻率ρ2,……,第n个待测区域的电阻率ρn。
[0051] 所述塞贝克系数的测量方法是：
[0052] 先将待测试样36的待测面划分为n个待测区域，再将待测试样36放入夹持电极13间夹紧；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，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。
[0053] 开启单头加热器27，以第一温度表35和第二温度表37的温差为4℃时为第一个升温测量点，以后每升高0.5～1℃为一个测量点，直至两块温度表的温差大于10℃时结束。记录各测量点的两块温度表的温差，同时记录各测量点的高精度数字电压表34显示的电压。以所述温差为横坐标和所述电压为纵坐标作图，线性拟合的直线的斜率为升温塞贝克系数。
[0054] 关闭单头加热器27，以第一温度表35和第二温度表37的温差为10℃时为第一个降温测量点，以后每降低0.5～1℃为一个测量点，直至两块温度表的温差小于4℃时结束。记录各测量点的两块温度表的温差，同时记录各测量点的高精度数字电压表34显示的电压。以所述温差为横坐标和所述电压为纵坐标作图，线性拟合的直线的斜率为降温塞贝克系数。
[0055] 所述升温塞贝克系数和降温塞贝克系数的平均值则为第1个待测区域的塞贝克系数α1。
[0056] 以此类推，则测得第2个待测区域的塞贝克系数α2，……，第n个待测区域的塞贝克系数αn。
[0057] 本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
[0058] 1)传统高精度电阻率及塞贝克系数的测量装置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。
[0059] 2)传统高精度电阻率及塞贝克系数的测量装置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。
[0060] 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，无需手动控制电流变向，测试过程更简便。
[0061] 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。
[0062] 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区域的电阻率和塞贝克系数的直接测量，测量精度高。
