半導(dǎo)體熱電材料電學(xué)參數(shù)綜合測(cè)試裝置的搭建與應(yīng)用*

李 理，秦兆慧，胡建民

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率是衡量半導(dǎo)體致冷材料電學(xué)性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，在半導(dǎo)體熱電材料性能優(yōu)化與研發(fā)過(guò)程中電學(xué)參數(shù)的測(cè)試方法已經(jīng)基本成熟［1］.但是，在材料的生產(chǎn)過(guò)程中電學(xué)參數(shù)的監(jiān)測(cè)過(guò)程還存在沒(méi)有解決的技術(shù)問(wèn)題.

在熱電材料的生產(chǎn)過(guò)程中(以Bi2Te3基取向固溶體晶棒為例)，通常采用熔煉區(qū)熔法生產(chǎn)，區(qū)熔過(guò)程中由于熔區(qū)對(duì)材料產(chǎn)生分凝作用從而造成在晶棒材料頭、尾的成分偏析使材料的熱電性能發(fā)生變化.通常情況下晶棒的頭、尾部熱電性能較差，需要對(duì)晶棒的頭尾進(jìn)行截取回收利用，以降低材料的生產(chǎn)成本［2］.如何準(zhǔn)確選取最佳的截取位置并得到參數(shù)達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品是一個(gè)難以解決的問(wèn)題.生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)材料性能的監(jiān)測(cè)，通常采用的方法是先將晶棒切割成小塊條形長(zhǎng)方晶體顆粒再逐個(gè)測(cè)量，這種方法雖然測(cè)試結(jié)果精確，但是耗時(shí)費(fèi)力、效率低下.由于塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率三個(gè)參數(shù)之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，監(jiān)測(cè)其中的一個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定性即可掌握熱電材料所有熱電性能的變化.此外，對(duì)不同電學(xué)參數(shù)的測(cè)試一般在單獨(dú)的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行，必然造成測(cè)試設(shè)備的重復(fù)設(shè)置、測(cè)試成本提高.為解決熱電材料生產(chǎn)和測(cè)試過(guò)程中存在的上述問(wèn)題，該文參照國(guó)家部頒標(biāo)準(zhǔn)［3］搭建熱電材料電學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，旨在降低測(cè)試成本、提高測(cè)試效率和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量檢測(cè)功能.

1 綜合測(cè)試設(shè)備的原理與結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)熱電材料電學(xué)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，該文使用兩探針?lè)y(cè)試材料電導(dǎo)率的變化.測(cè)試探針的間距可調(diào)，從而能夠測(cè)試熱電材料晶棒任意區(qū)間的電導(dǎo)率.測(cè)試裝置如圖1(a)所示.

圖1(a)中1為測(cè)試儀表、電源接入端，2為測(cè)試探針，3為待測(cè)樣品.采用歐姆定律測(cè)試原理可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)小塊樣品的精確測(cè)試，測(cè)試原理示意圖如圖1(b)所示.1為測(cè)試儀表和電源接入端，2為雙刀雙擲換向開(kāi)關(guān)，3為待測(cè)樣品.

為提高塞貝克系數(shù)測(cè)試效率，本裝置采用電位平衡法實(shí)現(xiàn)對(duì)材料溫差電動(dòng)勢(shì)率的測(cè)量，測(cè)量原理示意圖如圖2所示.圖2中K1為單刀開(kāi)關(guān)，K2為雙刀開(kāi)關(guān)，K3和K4為雙刀雙擲開(kāi)關(guān).標(biāo)準(zhǔn)溫差調(diào)試電路采用溫差代換的方式實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品兩端溫差恒定［4］.

圖1 電導(dǎo)率測(cè)試裝置示意圖

圖2 塞貝克系數(shù)測(cè)試裝置示意圖

為降低測(cè)試設(shè)備成本，該文將電導(dǎo)率與塞貝克系數(shù)測(cè)試裝置進(jìn)行集成裝配共用測(cè)試電表和電源，將圖1中電導(dǎo)率測(cè)試端子和圖2中的塞貝克系數(shù)測(cè)試端子通過(guò)四相轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接入數(shù)字萬(wàn)用表和數(shù)顯電源搭建成熱電參數(shù)綜合測(cè)試裝置，裝配原理示意圖如圖3所示.如圖3可見(jiàn)，測(cè)試不同電學(xué)參數(shù)只需將四相轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)分別撥至相應(yīng)的測(cè)試端，然后根據(jù)不同參數(shù)測(cè)試需要適當(dāng)選擇數(shù)字萬(wàn)用表和電源的相應(yīng)檔位，參照不同參數(shù)測(cè)試原理和要求進(jìn)行測(cè)試.圖3所示的綜合測(cè)試裝置可以另外添加熱導(dǎo)率測(cè)試端子可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)率測(cè)試，鑒于熱導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性(如循環(huán)水系統(tǒng)和溫差測(cè)試系統(tǒng)等)，在此裝置示意圖中沒(méi)有給出，使用者可以根據(jù)實(shí)際需要酌情考慮加入.

圖3 電學(xué)參數(shù)綜合測(cè)試裝置示意圖

2 測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證半導(dǎo)體熱電材料綜合測(cè)試裝置的實(shí)用性，該文測(cè)試了贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率.贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料［5］采用熱壓法制備，并在惰性氣體環(huán)境下經(jīng)300℃燒結(jié)30 min，隨爐冷卻至室溫后測(cè)試樣品的電學(xué)參數(shù)，相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果列于表1中.由表1中測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，經(jīng)300℃燒結(jié)后贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率得到改善，同時(shí)降低了材料的熱導(dǎo)率，從而熱電優(yōu)值明顯提高，這說(shuō)明一定的燒結(jié)溫度對(duì)提高贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料的熱電性能是有利的.

表1 Bi2Te3基贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料電學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

該文基于熱電材料電學(xué)參數(shù)基本原理搭建半導(dǎo)體熱電材料電學(xué)參數(shù)綜合測(cè)試裝置，一方面可以實(shí)現(xiàn)熱電材料研發(fā)中電學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，降低測(cè)試設(shè)備制造成本并提高測(cè)試效率;另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)熱電材料生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)材料性能的適時(shí)監(jiān)測(cè).此外，通過(guò)測(cè)試贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率驗(yàn)證了測(cè)試裝置的實(shí)用性.一定溫度下的燒結(jié)工藝有利于提高贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料的熱電性能.

［1］孟慶國(guó)，胡建民，曲秀榮.一種控制熱源加熱的比較穩(wěn)態(tài)法測(cè)定熱導(dǎo)率裝置［J］.中國(guó)科技信息，2014(17):27－28.

［2］榮劍英，趙秀平，李將錄，等.p型贗三元溫差電材料的研制［J］.人工晶體學(xué)報(bào)，1993，22(1):15–18.

［3］國(guó)家電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)，SJ2857－88.

［4］胡建民，李理，王月媛.半導(dǎo)體熱電材料溫差電動(dòng)勢(shì)率的測(cè)試裝置及測(cè)試方法.專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?201510028196.X，2015.

［5］劉楊.碳纖維摻雜P型Bi2Te3基贗三元熱電材料的制備與性能.哈爾濱師范大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文，2013.