一种同时测量霍尔系数和塞贝克系数的装置及方法

摘要

本发明属于半导体材料测试技术领域，具体涉及一种同时测量霍尔系数和塞贝克系数的装置及方法，该装置包括直行滑轨、磁铁组、测试探针和主加热器，直行滑轨两端分别放置有一个磁铁架，每个磁铁架上各设置有一对相同磁铁组，主加热器设置在直行滑轨的上方，待测样品放置在主加热器表面的两片陶瓷片副加热器上，主加热器上还设置有测试探针，电机驱动直行滑轨移动。本发明还公开了采用上述装置测量霍尔系数和塞贝克系数的方法。本发明有效的解决了塞贝克系数测量中对测量形状要求高的问题，能够测量不同大小形状的材料，也实现了在不同温度下的霍尔系数和塞贝克系数的测量，实现了自动化操作，测试精度高。

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料测试技术领域，具体涉及一种同时测量霍尔系数和塞贝克系数的装置及方法，其能够完成不同温度下霍尔及塞贝克系数的测量。

背景技术

霍尔系数和塞贝克系数作为衡量材料性质的重要参数，在半导体研究领域中起着非常重要作用。通过测量霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数，通过霍尔系数随着温度的变化，也能够确定半导体的禁带宽度、杂质电离等性能参数。塞贝克系数作为衡量热电转换性能的重要参数，在广泛关注的热电材料研发中有着重要意义。热电材料的热电转换效率主要取决于优值系数ZT,其表达式为：

其中，α为塞贝克系数，为电导率，为热导率，T为温度。塞贝克系数的大小对热电优值具有重要影响，精确测量材料的塞贝克系数，对于热电材料性能的评定和研究具有重要的实际意义。因此，开发能够测量霍尔系数及塞贝克系数的装置，在半导体及热电材料领域具有重要意义。

目前，霍尔测试仪器已经开发出可以在高压、针对气敏材料和几十微米尺寸样品等不同条件的测试装置，霍尔测试中多采用电磁场装置，电磁场体积庞大，结构复杂，造价较贵，且存在信号噪声，也有相关的专利，但是有些专利中存在手动操作磁铁，没有实现自动化测试，并且在大部分专利中霍尔系数测量并没有相关详细的测试流程及数据处理方案。塞贝克系数测试仪器也开发出相关测试设备，测量方法总体分为直接测量法、静态法和动态法，直接测量法会引入寄生电动势，测量误差较大，静态法测量效率低，对温度难以控制，并且目前大部分装置都是二探针块体材料的测量，当对材料加工有要求，需要薄膜测量时，二探针法并不能完成测量，在此基础上，出现了少数测量薄膜材料的装置，例如专利“一种测量Seebeck系数的装置及其方法：中国,CN105628732A[P].20160601”中提到一种四探针的动态法，更加精确测量了塞贝克系数。但上述装置都只能单一实现测量霍尔系数或者是塞贝克系数，目前并没有发现同一装置可实现测量霍尔系数及塞贝克系数。

由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种测量方法，使其能够同时测量出不同温度下的霍尔系数和塞贝克系数，实现自动化的测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种同时测量霍尔系数和塞贝克系数的装置和方法。该测试装置结合了霍尔系数及塞贝克系数在测试中的相似之处，采用四探针结合永久磁铁组完成不同温度下霍尔及塞贝克系数的测量，霍尔系数及电阻率测量采用范德堡法，塞贝克系数测量采用四个探针测试方法，有效的解决了塞贝克系数测量中对测量形状要求高的问题，并改进了传统的霍尔系数测量装置，实现了测量不同大小，不同形状的材料，并且也实现了在不同温度下的霍尔系数和塞贝克系数的测量，将两种测试集中到一台装置上，结构简单，体积较小，节约了成本与空间，该装置实现自动化操作，测试精度高。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种同时测量霍尔系数和塞贝克系数的装置，其特征在于，包括直行滑轨、磁铁组、测试探针和主加热器，

所述直行滑轨两端分别放置有一个磁铁架，每个磁铁架上各设置有一对相同磁铁组，所述磁铁组包括两个永久强磁铁，所述两个永久强磁铁相隔一定距离以N-S方式相对放置，所述两对磁铁组产生大小相同、方向相反的磁场；

所述主加热器设置在直行滑轨的上方，两片陶瓷片副加热器相隔一定距离嵌在所述主加热器表面中间，待测样品放置在两片陶瓷片副加热器上，所述主加热器的四个对角上分别设置有探针旋钮，所述探针旋钮将测试探针的一端固定，用于调节测试探针的位置，所述测试探针的另一端分别位于样品表面的四个对角上，用于测量样品的冷端与热端温度，所述主加热器、陶瓷片副加热器、探针旋钮、测试探针和样品均置于隔热罩内，

所述直行滑轨的一端与电机连接，电机驱动直行滑轨移动，随着直行滑轨的移动，所述隔热罩中的待测样品在两个磁铁组之间运动，待测样品所受到的磁场发生变化。

进一步优选地，所述主加热器内还设置有一热电偶，用于测量主加热器的温度。通过设置热电偶，可以精确地控制主加热器的温度，保证测试的准确性。

优选地，通过所述探针旋钮实现所述测试探针的左右、上下调节，所述测试探针通入电流，用于测量样品边缘的电压或温度。所述测试探针通过所述探针旋钮的固定后，测试探针的位置均可以左右、上下调节三维移动，从而实现了对任意大小形状的样品的测试。通过在探针中通入电流，可以提高测试结果的精确性。

优选地，所述隔热罩内充有保护气体，且所述隔热罩为双层结构。采用保护气体来保护测试样品，保证样品本身不受影响，而隔热罩采用双层结构，则大大提升了隔热效果。

具体的，本发明采用了三块加热器为整个样品台的主体台面，一块用于产生可控的环境温度的主加热器，且另外两小块陶瓷片加热器嵌入大加热器上，用来产生测试塞贝克系数的温差，待测样品置于两块陶瓷副加热器上，解决了测试过程待测样品与样品台的绝缘问题，同时也解决了测量霍尔系数和塞贝克系数温度产生的问题。使用四个探针进行测试，四个探针完成了电压，温度的测量，并且可以在测量霍尔系数中通入电流，使得测试更加方便，同时四个探针的独特设计，可以使探针三维移动，对比其他发明，测试对材料的材质及大小，厚度要求都降低了许多。采用的永久磁铁相对放置，产生磁场，共使用四块相同磁铁，产生两个大小相同、方向相反的磁场，四块磁铁固定于设计好的直行滑轨上，对比于其他发明，使用永久磁场使得整个装置结构简单，便利，所占空间小，造价低且不存在信号噪声，可以实现霍尔系数的自动测试。

按照本发明的另一方面，提供了一种同时测量霍尔系数和塞贝克系数的方法，其特征在于，采用上述测量装置按以下步骤进行：

S1.准备待测样品，使待测样品的厚度大致均匀，大小对称；

S2.将准备好的待测样品放置在主加热器上的两个陶瓷片副加热器上，并调节好测试探针的位置；

S3.将所述主加热器将环境温度加热到所需的温度，在测试探针上施加电流，分别在正磁场、负磁场和无磁场环境中，采用范德堡法测试相对两个探针之间的电势差；

S4.将所述主加热器将环境温度加热到所需的温度，利用所述陶瓷片副加热器给待测样品两端建立温差，测量此时四个测试探针之间的电压差以及四个测试探针的温度值；

S5.根据步骤S4和S5中测量得到的数据，计算出待测样品的霍尔系数和塞贝克系数。

进一步优选地，在步骤S2中，安装待测量样品时，先打开隔热罩，将待测量样品放置在两个陶瓷片副加热器上，旋转四个探针旋钮，使得探针旋钮所对应的四个测试探针位于待测样品边缘，通过上下移动探针旋钮使得测试探针接触良好，然后关闭隔热罩。

优选地，在步骤S3中，测量待测样品的电势差时具体包括如下步骤：

S31.测量待测样品的初始温度，利用所述主加热器将环境温度加热到初始温度，等待一定时间，使温度稳定；

S32.在测试探针上施加电流，分别在正磁场、负磁场和无磁场环境中，采用范德堡法测试对角的两个探针之间的电势差；

S33.所述主加热器将环境温度加热到需要测量的下一个温度,待温度稳定后，进行下一个温度的电势差测量；

S34.重复S31-S33的操作，直至完成所有指定温度的测量。

本测试方法和流程采用范德堡法测量霍尔系数，电阻率，载流子浓度，采用方法更为精确的四个温度-电压测量取平均的测试方法测量塞贝克系数，实现了准确的测量。

优选地，在步骤S4中具体包括如下步骤：

S41利用所述主加热器将环境温度加热到所需的温度，待温度稳定；

S42接通所述陶瓷片副加热器，给待测样品两端建立温差后即刻关闭所述陶瓷片副加热器；

S43测量四个所述测试探针之间的电压差以及四个测试探针的温度值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的测量装置实现了在同一装置上霍尔系数与塞贝克系数的测量，首次提出使用四个探针测量霍尔及塞贝克系数装置，在材料性质研究，特别是热电材料中往往需要测试霍尔系数及塞贝克系数，按照常规必须使用两台设备，考虑到霍尔系数和塞贝克系数都需测量电压及温度，本发明通过本发明将其合二为一，通过特定设计的测试探针，完成了电压及温度的测量，并加入可自动控制移动的磁铁组，添加磁场，满足了对霍尔系数及塞贝克系数的测量，节约成本，减少空间，方便测试。

(2)本发明的测量装置在测量特点上，可以测量任意形状，可以测量薄膜，块状的半导体材料。四个测试探针通过对应的探针旋钮的固定后，探针的位置均可以左右、上下三维移动，从而实现了对样品任意大小形状的测试。在常规测试过程中，特别是塞贝克测试中，大多数都使用的二探针法测试，仅能够测量块状材料，并对样品的放置有一定要求，且不易安装，因此，对于一些特定的材料，使用普通设备将会造成了测试困难或者根本无法测试，本发明解决了此问题，并且安装也十分方便。

(3)本发明提出了对于同时测量霍尔系数和塞贝克系数装置的配套测试方法及流程。同时测量霍尔系数和塞贝克系数的装置区别于其他单独测试霍尔系数或者塞贝克系数的装置，需要重新提出与新装置所配套的测试方法流程及数据处理方案，本测试方法和流程采用范德堡法测量霍尔系数，电阻率，载流子浓度，采用方法更为精确的四个温度-电压测量取平均的测试方法测量塞贝克系数，实现了准确的测量。

(4)本发明利用测量霍尔及塞贝克系数的共同之处，发明了同时可以测量霍尔和塞贝克系数的装置，可以用此开发出新一代的半导体测试仪器，有利于半导体材料的性能检测和研究开发，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的同时测量霍尔系数和塞贝克系数的装置结构示意图的俯视图；

图2为本发明的同时测量霍尔系数和塞贝克系数的装置结构示意图的主视图；

图3为第一组ΔT₁和V₁原始数据拟合S₁值的曲线图；

图4为第二组ΔT₂和V₂原始数据拟合S₂值的曲线图；

图5为第三组ΔT₃和V₃原始数据拟合S₃值的曲线图；

图6为第四组ΔT₄和V₄原始数据拟合S₄值的曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1和2为本发明的同时测量霍尔系数和塞贝克系数的装置结构示意图，下面结合附图1，图2对本发明做进一步详细的说明，其结构如附图1-2所示,图中1为直行导轨，3和21为永久强磁铁，2和22为固定磁铁的框架，24为伺服电机，25为联轴器，直行导轨1通过联轴器和伺服电机相连，磁铁及框架固定于直行导轨上，导轨来回移动可使样品处于不同方向的磁场下，图中1,2,3,21,22,24,25整体构成磁场及传动系统；图中5为隔热罩，9为提供环境温度的主加热器，8和16为嵌入提供温差的2块陶瓷片副加热器，11,12,13,14为四根测试探针，通过电源可以通入电流，并且可以测量电压，温度，7,10,15,17为探针固定装置，实现探针的三维移动，6为埋在大加热器里的热电偶，可以测量加热器温度，从而对环境温度进行控制，4为氦气或其他保护气体瓶，在高温下需通入保护气体测试，图中4-17为样品台系统；模块18为经典的PID温度控制系统，控制升温速率和加热温度，为环境提供可靠精确的温度控制，模块19为继电器组产生电流脉冲，并通过数据采集卡将模拟信号转变为数字信号，测得电压和温度，模块23为步进电机控制系统，精确控制导轨位移，从而可对样品外围磁场进行控制，小加热器的温度提供温差即可断电，不需要PID控制系统，18,19,23通过USB串口20与电脑进行通信，选用Microsoft的c#作为测试软件的开发语言，实现测试为电脑一体化控制、采集、计算、显示输出的过程，18,19,20,23及电脑组成控制系统。

由于目前对于霍尔及塞贝克系数测试，国际、国内都没有相关统一标准。对片状样品测试也少有相应的测试结构，同时在本发明新的测试装置下，科学、系统、规范的测试标准流程和合理的数据处理方法同样也是空缺的。下面将要详细说明的是整个测试过程的流程和数据处理部分。

本发明还公开了一种同时测量霍尔系数和塞贝克系数的方法，具体包括以下步骤：

1.样品标准

样品应为厚度均匀，大小在8mm*8mm-20*20mm之间的材料，样品周长和样品厚度满足Lp大于等于15t，其中Lp为周长，t为厚度，推荐样品大小对称、厚度为1mm(详见ASTM：F76-08)。

2.测试过程

样品安装：将待测样品放置到样品台上，旋转旋钮7,10,15,17将探针固定于样品边缘，尽量保证测试探针11,13和测试探针12,14在对角线上，同时应尽量保证整个样品位于样品台中心。装好隔热密封罩，完成安装。

接触检测：首先应检测四个探针触点与样品是否接触良好，可以通判断对应电流、电压的相关性来得知探针与样品的接触是否良好。

霍尔系数及电阻率的测量

测试初始样品温度(计算机控制PID，主加热器9将环境温度加热到所需的初始温度，等待一定时间，使得温度稳定)

将测试探针11,12,13,14分别记为a，b，c，d。在大小为+B的磁场环境中，极小的电流脉冲从探针a流入，c流出，测量电压Vd-Vc，测量的电压表示为Vac，dc(+B)。待样品温度基本保持不变，依据此方法，测试分为3次：第一次在磁场大小为+B下，测量出Vca，db(+B)，Vac，db(+B),Vdb，ac(+B)，Vbd，ac(+B)；直行滑轨移动，第二次在没有磁场的环境中，测量出Vba，cd、V ab,ca、Vcb，da、Vbc，da；直行滑轨再次移动，使样磁场大小为-B下，测量Vac，db(-B)，Vca，db(-B)，Vbd，ac(-B)，V db,ac(-B)

进行下一个温度点测量(计算机控制PID，主加热器9将环境温度加热到所需的下一个温度，等待一定时间，使得温度稳定)

重复B、C操作，直至完成指定温度测量。

塞贝克系数的测量

加热装置加热至初始温度，计算机控制PID，主加热器9将环境温度加热到所需的初始温度，等待一定时间，待温度温度，接通陶瓷片副加热器8，陶瓷片副加热器8给样品两端建立温差后即刻关闭，建立过程中需保持环境温度变化不大。检测此时的冷热端温度的平均值，需与环境温度基本一致。记录探针11,13之间电压，探针11,14之间电压，探针12,13之间电压，探针12,14之间电压以及四个探针11,12,13,14的温度值记为TA、TB、TC、TD。

3.数据处理

将测量出的数据按照如下具体公式，即可求得霍尔系数R_h及电阻率ρ_av，从而求出载流子迁移率μ：

霍尔系数的计算：

电阻率的计算：

其中f1和f2与函数Q1和Q2有着对应关系，具体可参考相关文献，例如(ASTM：F76-08)

载流子迁移率μ：

塞贝克系数的计算:

根据数据中TA,TC，求得两者的温差，记为ΔT1

ΔT₁＝T_A-T_C

再根据每组数据中测到的探针11、13之间的电压，记为ΔV1，

根据计算出来的多组ΔT1和ΔV1，由下式

ΔT₁＝S₁ΔV₁+B₁

拟合出来斜率S1即为求得的一个塞贝克系数值

同理，求TA,TD两者的温差，记为ΔT2

ΔT₂＝T_A-T_D

再根据每组数据中测到的探针11、14之间的电压，记为ΔV2，

根据计算出来的多组ΔT2和ΔV2，由同样的拟合公式

ΔT₂＝S₂ΔV₂+B₂

拟合出来斜率S2即为求得的另一个塞贝克系数值

求TB,TC两者的温差，记为ΔT3

ΔT₃＝T_B-T_C

再根据每组数据中测到的探针12、13之间的电压，记为ΔV3，

根据计算出来的多组ΔT3和ΔV3，由同样的拟合公式

ΔT₃＝S₃ΔV₃+B₃

拟合出来斜率S3即为求得的第三个塞贝克系数值。

求TB,TD两者的温差，记为ΔT4

ΔT₄＝T_B-T_D

再根据每组数据中测到的探针12、14之间的电压，记为ΔV4，

根据计算出来的多组ΔT4和ΔV4，由同样的拟合公式

ΔT₄＝S₄ΔV₄+B₄

拟合出来斜率S4即为求得的第四个塞贝克系数值

再求得S1、S2、S3、S4四者的平均值，记为S，

得到的系数S即为最终求得的塞贝克系数。

4.误差分析

在测量霍尔系数的过程中，由于霍尔效应的产生，会伴随产生其他效应，如失配电压差，爱廷豪森效应，里纪一勒杜克效应，能斯脱效应，热电流不等电位引起的误差，这些误差为系统误差的主要来源，通过相对完善的范德堡法，可以很大程度上消除这些系统误差。

同样，还存在着测量造成的相对误差，对于范德堡法测霍尔系数，其相对误差可表示为：

式中，|ΔR_hal|＝|R_h-R_real|,R_h为测量的霍尔系数的值，R_real为真实的霍尔系数，产生|ΔR_hal|的因素来源于：对测量磁场产生的误差|ΔB|＝|B_m-B_real|、测量电流产生的误差|ΔI|＝|I_m-I_real|、测量电压产生的误差|ΔV|＝|V_m-V_real|。根据下列公式：

采用高精度永磁铁高斯计，δ_B约为2％，所选取的数据采集卡测量中δ_I约0.5％，δ_V的误差约0.5％，可求得相对误差为2.0％。

同样，塞贝克系数的相对误差为：

若δ_T,δ_V分别为温度和电压测试值与真实值之间产生的误差，则可得到如下公式：

对于δ_V，当所选数据采集卡量程档选择为15mv时，其分辨率小于0.5μv，而其本身的转换误差仅为0.5％，所以，δ_V的值为0.5％。对于δ_T，以△T＝10K，α＝50μv/K估算误差，则大约为0.6％，且主要有热电偶误差、A/D转换误差和由于接触热阻产生的误差，我们采用Pt-Pt-10％Rh热电偶测温，由于该种热电偶本身有一随机误差，如在0－13000C时误差为±0.25％，根据误差处理方法，这一误差可以通过多次测量的办法得以降低，如用n次测量的温度算术平均值替代真实温度(T0)时的标准偏差为：

由于微机采集数据读数很快(每秒钟采集10个点)，我们采用每个温度点读200次，然后取平均值，如测温点为5000C时，100次读数随机误差可减小到则由此产生的温差误差为0.18K。而数据采集卡对热电偶的电势信号采集及转变成温度值的过程中，结合Pt-Pt-10％Rh热电偶的特性，得到在温度≥00C时，试样两端的读数Th、Tc误差均<0.15K，则误差小于0.3K。对于由于接触热阻产生的误差，如果接触材料选择得当，并且加工精度比较高，保证样品接触良好，对于这种误差基本可以忽略不计。由此看来，总共产生的误差大约为小于0.48K，如果以△T＝10K估算误差，则δ_T<4.8％，根据上式则可计算出塞贝克系数的相对误差为4.3％。

利用本测试系统对MnTe+0.04Li2S材料在常温下的霍尔及塞贝克系数进行测量，测试的四组原始数据如图3、4、5，6针对每组数据所拟合出来的Seebeck系数进行求平均得到平均的Seebeck系数，并与用同类标准测试仪器HGTE-Ⅱ型热电参数测试系统的测试值进行比对，得出了偏差和误差，如表1:

表1塞贝克系数测试数据

表2为测霍尔系数相关数据，并与同类标准测试仪器ECOPIAHMS-5500测试值进行对比，得出了偏差和误差：

表2霍尔系数测试数据

表3为测电阻率相关数据，并与同类标准测试仪器ECOPIA HMS-5500测试值进行对比，得出了偏差和误差：

表3电阻率测试数据

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。