自動化測量半導體電阻率及賽貝克系數的測試方法及系統技術方案

本發明專利技術公開了一種自動化測量半導體電阻率及賽貝克系數的測試方法及系統，其中方法包括以下步驟：將待測樣品置于真空環境內，并對待測樣品的兩端進行加熱，并控制兩端的溫度差；間隔發送PID曲線，該PID曲線包括三個溫度點：初始溫度點，下一個待測溫度點和預設的最終測試溫度點；該PID曲線確定原則：溫度測試間隔???????????????????????????????????????????????T=By-Ay，Ay為初始溫度，By為下一個待測試溫度；根據該PID曲線采集待測樣品的與電阻率和賽貝克系數相關的物理量數據，直到PID曲線的下一個待測溫度達到預設的最終測試溫度；根據采集的物理量數據計算得到電阻率和賽貝克系數。

【技術實現步驟摘要】
自動化測量半導體電阻率及賽貝克系數的測試方法及系統
本專利技術涉及材料科學領域中半導體材料性能測試技術，具體涉及一種能在不同溫度下自動化測量半導體電阻率及賽貝克系數的測試方法及系統。
技術介紹
熱電材料具有尺寸小、質量輕、無噪聲，無污染等普通機械制冷或發電手段都難以媲美的優點。但是迄今為止，利用熱電材料制成的裝置效率(<10％)仍遠比傳統的冰箱或發電機小。因此提高熱電材料的效率成為其研究的關鍵部分。熱電材料的效率可以定義熱電優值(Thermoelectricfigureofmerit)ZT來評估:ZT＝S2Tσ/κ其中，S為塞貝克系數(Seebeckcoefficient)，T為絕對溫度，σ為電導率，κ為熱導率。為了有一較高熱電優值ZT，材料必須有高的塞貝克系數(S)，高的電導率與低的熱導率。由此可見，準確、快速地測量材料的Seebeck系數、電導率和熱導率對深入研究半導體材料的熱電性能及開發新型半導體熱電材料和器件具有非常重要的應用價值和理論意義。國內在熱電材料測量方面起步較晚，國際上較為知名主要有美國MMR公司的SB系列產品,日本ULBAC-RIKO的ZEM與德國linseis三種測試產品；他們采用的都是靜態直流電法測量技術，靜態法主要是通過在試樣兩端施加一恒定溫差ΔT，再測量樣品兩端的熱電勢ΔV，兩者相除(ΔV/ΔT)即可得樣品的Seebeck系數。靜態法對環境溫度和試樣兩端的溫差的控制要求較為嚴格，而且同一個環境溫度下需要變換多個溫差，才能有效消除漂移電壓，繁瑣費時的控溫過程決定了測試溫度點的選取極其有限,單點測量時間很長。有限的測溫點將不能準確的觀測到試樣的Seebeck系數在溫度范圍內的變化趨勢，在溫度范圍內存在試樣的Seebeck系數峰值的情況下尤其如此。動態法測量熱電材料的Seebeck系數的優勢就漸漸體現出來了。根據Seebeck系數的定義：一個金屬或半導體樣品，當樣品兩端存在溫度差ΔT時就會在兩端出現電位差(溫差電動勢)ΔV，并且ΔV與ΔT成正比(比例系數α≡dV/dT)，這就是Seebeck效應；其中比例系數a就為Seebeck系數。根據α≡dV/dT可知，只需要在熱電材料的一端連續施加熱流，測試過程中試樣的一端溫度一直升溫，此時ΔT＝Thot-Tcold會連續變化，必然引起ΔV連續變化。但α≡dV/dT確是一個常數，動態測量技術能夠在某一溫度范圍內測量試樣的Seebeck系數，并且獲得大量的點，還可以時時觀察溫差變化時Seebbeck電壓的變化趨勢及峰值，更主要的原因是動態測量技術對于樣品兩端的溫差要求不是特別苛刻，不需要精度特別高的溫度控制器或昂貴的紅外加熱器，也不需要長時間等待溫差兩端平衡才開始測量。因此，國內自行搭建熱電材料測試平臺的研究所或高校大多都是采用動態法測量，如專利(1)“201210473642.4”,“一種Seebeck系數測試裝置”，專利技術專利申請人為清華大學的李亮亮，周陽；專利(2)“201210213904.3”，“賽貝克系數測量系統”，專利技術申請人為中國科學院電子學研究所的崔大付，蔡浩原，李亞亭，陳興，張璐璐，孫建海，任艷飛等；專利(3)“200510018806.4”，專利技術為“一種測量半導體材料賽貝克系數和電阻率的裝置”，專利技術人為華中科技大學的楊君友、鮑思前、朱文、陳柔剛、樊希安、段興凱、彭江英、張同俊等等；然而，現有的測試系統還存在以下缺陷：a)對Seebeck系數的測量僅限于單端加溫測量，每次樣品采集完成之后樣品兩端可能會存在超過10℃甚至更大溫差，測量產生的較大溫差不能及時有效抹平，導致溫度點測量最小間隔受到影響，且通過下一溫度點爐溫自然抹平也需耗費大量時間，抹平效果不好，影響下一溫度點測試精度。同時，也不能進行反向加熱測量，測量手段不夠靈活，如專利(1)，專利(3)，專利(4)“200510010430.2”，專利技術為“測量材料Seebeck系數的方法和設備”，專利(5)“200420110412.2”，專利技術為“一種測量賽貝克系數用的測量裝置”，專利(6)“201020506407.9”，專利技術為“一種用于工業化生產熱電材料的賽貝克系數測試裝置”。b)自動測試數據采集方法存在缺陷，出錯率高。主要體現在：①對硬件設備的控制如PID，樣品兩端加熱，抽真空等的控制停留在手動控制的現象，操作復雜且容易出錯。②自動化采集判據的方法存在缺陷，尤其是對PID控制溫度點的方法上存在不足。傳統的自動化測量方法中對PID的控制都是將所有溫度曲線(包括加溫，保溫等幾十個點)一次性發送到PID控制器中，待爐內溫度穩定后開始采集，這種方法必須嚴格計算PID的加熱時間，保溫時間，否則就會出現爐內溫度還未達到穩定就開始采集或采集未開始PID已開始工作升溫到下一溫度點或者本次采集完成后還需要等待一段時間PID才會升溫至下一溫度點，非常耗時且不確定性大，爐溫不同，導致加熱時間，保溫時間的不同，這造成每次測試的數據誤差很大，且每次發送數據點多，PID曲線設置出錯率高。
技術實現思路
本專利技術的目的在于，提供一套在熱電材料領域能自動化測量低溫到高溫的半導體電阻率及賽貝克系數的系統，包括自動化測試方法及半導體電阻率及Seebeck系數測試裝置。該系統結構設計簡單，操作方便，精度高，軟件系統與硬件系統高度集成，可對室溫到高溫的電阻率及賽貝克系數的同時測量及全過程自動化測量。為了實現上述目的，本專利技術提供以下技術方案：提供一種自動化測量半導體電阻率及賽貝克系數的測試方法，其特征在于，包括以下步驟：將待測樣品置于真空環境內，并對待測樣品的兩端進行加熱，并控制兩端的溫度差；間隔發送PID曲線，該PID曲線包括三個溫度點：初始溫度點，下一個待測溫度點和預設的最終測試溫度點；該PID曲線確定原則：溫度測試間隔ΔT＝By-Ay，Ay為初始溫度，By為下一個待測試溫度；根據該PID曲線采集待測樣品的與電阻率和賽貝克系數相關的物理量數據，直到PID曲線的下一個待測溫度達到預設的最終測試溫度；根據采集的物理量數據計算得到電阻率和賽貝克系數。本專利技術所述的方法中，在溫度到達PID曲線中下一個待測溫度時，保持恒溫一段時間，以完成此溫度點的數據采集。本專利技術所述的方法中，對待測樣品的兩端進行加熱時，選擇采用正向加熱產生溫差進行測量或者反向加熱產生溫差進行測量。本專利技術所述的方法中，在測量電阻率時，改變電流方向進行兩次數據采集。本專利技術所述的方法中，在數據采集前，控制兩端的溫度差達到2K。本專利技術還提供了一種自動化測量半導體電阻率及賽貝克系數的測試系統，包括管式爐、樣品臺、數據采集裝置和上位機，其中：管式爐從外到里依次為冷卻系統、加熱控制系統和空腔，樣品臺置于該管式爐內；上位機間隔發送PID曲線給數據采集裝置，該PID曲線包括：初始溫度點，下一個待測溫度點和預設的最終測試溫度點；該PID曲線確定原則：溫度測試間隔ΔT＝By-Ay，Ay為初始溫度，By為下一個待測試溫度；數據采集裝置根據PID曲線采集待測樣品的與電阻率和賽貝克系數相關的物理量數據，直到PID曲線的下一個待測溫度達到預設的最終測試溫度，并將采集的物理量數據發送給上位機，以通過上位機計算電阻率和賽貝克系數。本專利技術所述的系統中，所述樣品臺包括上下支撐本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種自動化測量半導體電阻率及賽貝克系數的測試方法，其特征在于，包括以下步驟：將待測樣品置于真空環境內，并對待測樣品的兩端進行加熱，并控制兩端的溫度差；間隔發送PID曲線，該PID曲線包括三個溫度點：初始溫度點，下一個待測溫度點和預設的最終測試溫度點；該PID曲線確定原則：溫度測試間隔T=By?Ay，Ay為初始溫度，By為下一個待測試溫度；根據該PID曲線采集待測樣品的與電阻率和賽貝克系數相關的物理量數據，直到PID曲線的下一個待測溫度達到預設的最終測試溫度；根據采集的物理量數據計算得到電阻率和賽貝克系數。

【技術特征摘要】
1.一種自動化測量半導體電阻率及賽貝克系數的測試方法，其特征在于，包括以下步驟：將待測樣品置于真空環境內，并對待測樣品的兩端進行加熱，并控制兩端的溫度差；間隔發送PID曲線，該PID曲線包括三個溫度點：初始溫度點，下一個待測溫度點和預設的最終測試溫度點；該PID曲線確定原則：溫度測試間隔T=By-Ay，Ay為初始溫度，By為下一個待測試溫度；根據該PID曲線采集待測樣品的與電阻率和賽貝克系數相關的物理量數據，直到PID曲線的下一個待測溫度達到預設的最終測試溫度；根據采集的物理量數據計算得到電阻率和賽貝克系數。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在溫度到達PID曲線中下一個待測溫度時，保持恒溫一段時間，以完成此溫度點的數據采集。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，對待測樣品的兩端進行加熱時，選擇采用正向加熱產生溫差進行測量或者反向加熱產生溫差進行測量。4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在測量電阻率時，改變電流方向進行兩次數據采集。5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在數據采集前，控制兩端的溫度差達到2K。6.一種自動化測量半導體電阻率及賽貝克系數的測試系統，其特征在于，包括...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王愿兵，楊君友，姜慶輝，童浩，吳燕雄，連小康，蔡穎銳，王康，
申請(專利權)人：武漢嘉儀通科技有限公司，
類型：發明
國別省市：湖北;42