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半导体热电特性的测量

半导体热电特性的测量. 实验目的 实验仪器及原理 实验装置 实验内容与要求 思考题. 实验目的. 1 ．了解半导体热敏电阻、 pn 结的电输运的微观机制及其与温度的关系； 2 ．了解计算机实时采集、处理实验数据； 3 ．测量半导体热敏电阻的电压 - 温度曲线； 4 ．测量半导体 pn 结的电压 - 温度曲线； 测量制冷电堆的制冷系数和导热系数（或制冷半导体的塞贝克系数）； 掌握直接或间接用最小二乘法做一元线性回归，拟合得到热敏电阻的温度系数（热敏指数）和 pn 结的禁带宽度。. 实验仪器及原理.

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半导体热电特性的测量

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Presentation Transcript

  1. 半导体热电特性的测量 实验目的 实验仪器及原理 实验装置 实验内容与要求 思考题

  2. 实验目的 • 1．了解半导体热敏电阻、pn结的电输运的微观机制及其与温度的关系； • 2．了解计算机实时采集、处理实验数据； • 3．测量半导体热敏电阻的电压-温度曲线； • 4．测量半导体pn结的电压-温度曲线； • 测量制冷电堆的制冷系数和导热系数（或制冷半导体的塞贝克系数）； • 掌握直接或间接用最小二乘法做一元线性回归，拟合得到热敏电阻的温度系数（热敏指数）和pn结的禁带宽度。

  3. 实验仪器及原理 • 半导体材料的热电特性最为显著，因此，也最常用作温度传感器。一般而言，在较大的温度范围内，半导体都具有负的电阻温度系数。 • 半导体的导电机制比较复杂，起电输运作用的载流子为电子或空穴。载流子的浓度受温度的影响很大，因此半导体的电阻率受温度影响也很大。随着温度的升高，热激发的载流子数量增加，导致电阻率减小，因此呈现负的温度系数的关系。 • 但是实际应用的半导体往往通过掺杂工艺来提高半导体的性质，这些杂质原子的激发，同样对半导体的电输运性能产生很大的影响。同时在半导体中还存在晶格散射、电离杂质散射等多种散射机制存在，因此半导体具有非常复杂的电阻温度关系，往往不能用一些简单的函数概括，但在某些温度区间，其电阻温度关系可以用经验公式来概括，如本实验中用的半导体热敏电阻，它的阻值与温度关系近似满足下式：

  4. （1） • 式中R0为T0时的电阻（初值），R是温度为T时的电阻，T为绝对温度，B为温度系数（热敏指数）。 B在工作温度范围内并不是一个严格的常数，但在我们的测量范围内，它的变化不大。将上式变形得到： InR=B.1/T+C （2） 以lnR为纵轴，1/T为横轴做图，直线的斜率即为B值。 • pn结构成的二极管和三极管的伏安特性对温度有很大的依赖性，利用这一点可以制造pn结温度传感器和晶体管温度传感器，本实验用的测温元件为二极管温度传感器。二极管的正向电流I、电压U满足下式：

  5. I= Is(eqU/kT-1) （3） • 其中q为电子电荷；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；Is为反向饱和电流（和pn结材料的禁带宽度以及温度等有关），可以证明 • Is=CTrexp(-qU0/kT) （4） • 其中C是与结面积、杂质浓度等有关的常数；r也是常数；U0为绝对零度时pn结材料的导带底和价带顶间的电势差。 • 将(4)式代入(3)式，两边取对数可得

  6. U= U0-(kT/q)ln(c/IF)-KTlnTr/q（5） 其中非线性项-KTlnTr/q相对甚小，可以忽略 因此，（5）式可写为 U=U0+αT（6） 其中 • α=-k/qln(c/IF)（7） α为负值，如α=-2.3mV/°C 即温度每升高1°C，电压减小2.3mV，这样通过测量不同温度时 二极管两端的正向电压可以测得温度，这正是pn结传感器的测温原理。通过实验可以测量α值，并利用其它温度计给它定标，从而制作一个二极管温度计。由电压温度曲线外推，还可求得0K时半导体材料的禁带宽度

  7. 实验装置 • 本实验所用装置由三部分组成：主控仪器箱（ 恒流源、电压电流测量及显示系统、制冷加热控制系统和计算机接口系统）；样品池（内装样品及制冷元件、加热元件、测温二极管）；实验用微机一套（内装实验数据处理程序）。其中样品池由绝热材料密封（导热系数 ≤0.01W /（m•K）），升温由黄铜载体内发热体提供热量，降温采用两级：一级为风冷，二级为 BiTe系半导体制冷。 • 仪器与计算机连接，可实时观测到样品电导随温度的变化，实时显示过程中，采用时间小区间积分取值消除了样品由于热躁声和热惯性带来的示值跳跃。可存储或打印当次实验所有原始数据，并做数据分析。在脱机状态下也可进行实验，从面板LED读取温度、电压、电流值，数据保存于控制器中。 • 实验仪器可手动控制或计算机控制，数据可导出到EXCEL表格或纯文本文件中，以便用EXCEL直接处理或用MATLAB、ORINGE等工具处理。

  8. 实验内容与要求 • 1.脱机使用 • （1）设置起始温度 • 仪器在空闲状态下按“设置”键，电压显示屏显示STAR，温度显示屏显示默认起始温度10oC，通过按“+”键使起始温度增大，“-”使起始温度减少，调整到计划的起始温度值后，按“设置”键退出起始温度操作。 • （2）设置结束温度 • 仪器在空闲状态下按两次“设置”键，电压显示屏显示END。温度显示屏显示默认停止温度80 oC，通过按“+”键使停止温度增大，“-”使停止温度减少，调整到预计的停止温度值后，按“设置”键退出起始温度操作。 • （3）工作模式设定 • 仪器在空闲状态下按三次“设置”键，电压显示屏显示SET，温度屏显示0，再按“设置”键退出设置操作到空闲状态下。

  9. （4）测试 • 在空闲状态下按“运行”键，运行指示灯亮，仪器会根据当前的温度和设置的起始温度自动进入制冷或加热状态，相应的指示灯点亮，调节测量室的温度达到设定的起始温度。然后进入测量状态，每到一整点温度仪器会提示一声蜂鸣，同时运行灯闪动一下，直到测量室的温度达到停止温度，仪器自动停止退出到空闲状态下。 • 2.连机使用 （1）设置开始和结束温度 • 点击“扳手”图标或选择“操作”菜单的‘设置”选项，会弹出设置窗体，在开始和结束输入框内分别输入预计的测量起始温度和停止温度，按“确定”返回坐标主界面，坐标的横轴温度刻度会根据输入的温度范围重新划分。

  10. （2）开始测量 设定好起始温度和停止温度后就可开始测试，按“开”图标或“操作”菜单的“开始”选项，这时观察仪器的“运行”灯亮并接通温控电源开始进入调温、测量状态。 • （3）停止测量 当开始测量后一般到达设定的停止温度，软件会向仪器发出停止命令，仪器停止运行，软件界面会弹出“已到设定温度停机”。 • （4）打印和读出仪器保存数据 可点击“打印”菜单中的“打印”选项。也可在仪器空闲模式下，点击“读出”图标将保存的数据读出，进行打印实验报告。

  11. 思考题 • 什么叫电阻温度系数？根据实验数据计算热敏电阻的电阻温度系数。

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