光电子材料实验教案Word文件下载.docx
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式中，
为探针系数，与探针间距有关，单位为cm。
若四探针在同一直线上，如图1（a）所示，当其探针间距均为
时，则被测样品的电阻率为
（5）
此即常见的直流等间距四探针法测电阻率的公式。
有时为了缩小测量区域，以观察不同区域电阻率的变化，即电阻率的不均匀性，四根探针不一定都排成一直线，而可排成正方形或矩形，如图1（b）所示，此时只需改变电阻率计算公式中的探针系数
即可。
四探针法的优点是探针与半导体样品之间不要求制备接触电极，极大地方便了对样品电阻率的测量。
四探针法可测量样品沿径向分布的断面电阻率，从而可以观察电阻率的不均匀性。
由于这种方法允许快速、方便、无损地测试任意形状样品的电阻率，适合于实际生产中的大批量样品测试。
但由于该方法受到探针间距的限制，很难区别间距小于0.5mm两点间电阻率的变化。
根据样品在不同电流（I）下的电压值（V23），还可以计算出所测样品的电阻率。
三、实验仪器
SX1944型数字式四探针测试仪；
硅单晶；
TiO2陶瓷样品；
SB118精密直流恒流源；
直流数字电压表
四、仪器描述
1、概述
SX1944型数字式四探针测试仪是运用四探针测量原理的多用途综合测量装置，它可以测量片状、块状半导体材料的径向和轴向电阻率，测量扩散层的薄层电阻（亦称方块电阻）。
换上特制的四探针测试夹具，还可以对金属导体的低、中值电阻进行测量。
仪器由主机、测试探头（可选配测试台）等部分组成，测试结果由数码管直接显示。
主机主要由精密恒流源，高分辨率ADC、嵌入式单片机系统组成，自动转换量程。
仪器具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好、智能化程度高、测量简便、结构紧凑、使用方便等特点。
仪器适用于半导体材料厂、半导体器件厂、科研单位、高等院校对半导体材料的电阻性能的测试。
特别适用于要求快速测量中低电阻率的场合。
本仪器工作条件为：
温度：
23℃±
2℃
相对湿度：
60%～70%
工作室内应无强电磁场干扰，不与高频设备共用电源。
2、技术参数
（1）.测量范围
电阻率：
10-4～105Ω-cm
方块电阻：
10-3～106Ω/□
电阻：
10-4～105Ω
（2）.可测半导体材料尺寸
直径：
Φ15～100mm
长（或高）度：
≤400mm
（3）.测量方位
轴向、径向均可
（4）.数字电压表：
①量程：
200mV
②误差：
±
0.1%读数±
2字
③最大分辨力：
10µ
V
④精度：
41/2位
显示:
4位半数字显示，小数点自动显示
（5）.数控恒流源
①电流输出：
直流电流0～100mA连续可调，由交流电源供电。
②量程：
1μA，10μA，100µ
A，1mA，10mA，100mA
③误差：
0.5%读数±
2字
（6）.四探针测试探头：
①探针间距：
1mm
②探针机械游移率：
±
1.0%
③探针：
碳化钨，Φ0.5mm
④压力：
0～2kg可调,最大压力约2kg
（7）.电源：
输入:
AC220V±
10%50Hz
功耗：
<
20W
（8）.外形尺寸：
主机260mm（长）×
210mm（宽）×
125mm（高）
3、结构特征
仪器根据测试需要，可安放在一般工作台上或者手持。
探头经过精密加工，探针为耐磨材料碳化钨所制成，配用宝石导套，使测量误差大为减少，且可以提高寿命。
探头内有弹簧压力装置，测试架内还有高度粗调、细调及压力自锁装置。
主机为仪器主要电气部分所在，在其面板结构如图1所示。
图1面板示意图
1、数字显示板；
2、电阻率/方块电阻选择按键；
3、电阻率或方块电阻/电流选择按键；
4、电流极性选择按键；
5、电流量程按键；
6、电流粗调；
7、电流细调；
8、探头插座；
主机后盖板设有交流220V电源插座和保险丝座。
如图2所示。
图2主机后盖板示意图
4、使用方法
SX1944型数字式四探计测试仪能够测量普通电阻器的电阻（修正系数1.000）、体电阻率、薄片电阻率、扩散层的方块电阻，（后三项需调整不同的修正系数）。
（1）.操作概述：
①测试准备：
将电源插头插入电源插座，电源开关置于断开位置。
将测试探头的插头与主机的输入插座连接起来，测试样品应进行喷砂和清洁处理，（选配测试台的将样品放在样品架上），调节室内温度使之达到要求的测试条件。
将电源开关置于开启位置，数字显示亮。
②测量：
将探针与样品良好接触，注意压力要适中。
选择显示电流，置于样品测量所适合的电流量程范围，电流调节电位器调到适合的电流值（方法见“注意事项”）。
选择显示电阻率或方块电阻，即可由数字显示板直接读出测量值，如果显示“F”，表示超出量程范围，应降低电流量程。
按下电流极性按键，从数字显示板和单位显示灯可以读出负极性的测量值；
将两次测量获得的电阻率值取平均，即为样品在该处的电阻率或方块电阻值。
（2）.注意事项：
①棒状、块状样品电阻率测量（厚度>
3.5mm）:
电流调至0.6280注1（满度为1.9999时）。
②薄片电阻率测量:
当薄片厚度>
0.5mm时，按公式（3-3）计算ρ。
当薄片厚度<
0.5mm时，按公式（3-4）计算ρ。
电阻率测量电流量程推荐按照下表选择：
③方块电阻测量:
将电流调至0.4530注1（满度为1.9999时）。
电流量程推荐按照下表选择：
④电阻测量
用四端子测量线作输入线，按图5所示夹持好样品，将电流调到1.0000（满度为1.9999时），压下探针此时数字表上读出的数值为样品的电阻值。
图3电阻的测量
五、实验内容
1、预热：
打开SB118恒流源和PZ158A电压表的电源开关（或四探针电阻率测试仪的电源开关），使仪器预热30分钟。
2、放置待测样品：
首先拧动四探针支架上的铜螺柱，松开四探针与小平台的接触，将样品置于小平台上，然后再拧动四探针支架上的铜螺柱，使四探针的所有针尖同样品构成良好的接触即可。
3、联机：
将四探针的四个接线端子，分别接入相应的正确的位置，即接线板上最外面的端子，对应于四探针的最外面的两根探针，应接入SB118恒流源的电流输出孔上，二接线板上内侧的两个端子，对应于四探针的内侧的两根探针，应接在PZ158A电压表的输入孔上，如图1（a）所示。
4、测量：
使用SB118恒流源部分，选择合适的电流输出量程，以及适当调节电流（粗调及细调），可以在PZ158A上测量出样品在不同电流值下的电压值，利用公式（5）即可计算出被测样品的电阻率
。
六、注意事项
1、在拧动四探针支架上的铜螺柱时，用手扶住四探针架，不要让它在样品表面滑动，以免探针的针尖划伤样品表面。
此外，铜螺柱不要拧得过紧，以免探针的针尖划伤样品，只要保证针尖与样品有良好接触即可。
2、在连接SB118恒流源前或更换样品前，应先将其电流输出调节至零。
PZ158A电压表可选择在0.2V或2V量程。
3、在切换SB118恒流源的电流量程时，应先将其电流输出调节至零，以免造成电流对样品的冲击。
4、在选择电流时，对某些样品，最大的电流值对应的电压值一般不超过5mV，如果流过样品的电流过大，将会引起样品发热，影响测量结果。
5、在某一电流值下，测量电压时，可分别测量正反向电压，取平均值后用于电阻率的计算。
七、实验报告要求
1、简述实验目的、内容及过程；
2、简述四探针法测电阻率的原理；
3、记录半导体或金属样品的电阻率，分析电阻率的影响因素。
实验二压电材料的压电常数d33测试
（1）掌握准静态d33测试仪的使用方法以及测量压电常数d33。
（2）熟悉压电材料压电效应的基本原理
二、实验仪器
YE2730A准静态压电常数d33测试仪；
PZT压电陶瓷样品；
PMN压电陶瓷样品
三、实验原理
压电材料（piezoelectricmaterial），受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。
1880年,法国物理学家P.居里和J.居里兄弟发现,把重物放在石英晶体上,晶体某些表面会产生电荷,电荷量与压力成比例。
这一现象被称为压电效应。
1、压电效应
某些物质，当沿着一定方向施加压力或拉力时，会发生形变，其内部就产生极化现象，同时，其外表面上产生极性相反的电荷；
当外力拆掉后，又恢复到不带电的状态；
当作用力方向反向时，电荷极性也相反；
电荷量与外力大小成正比。
这种现象叫正压电效应。
如图1所示。
图1（正）压电效应
反之，当对某些物质在极化方向上施加一定电场时，材料将产生机械形变，当外电场撤销时，形变也消失，这叫逆压电效应，也叫电致伸缩。
压电效应的可逆性如图62所示。
利用这一特性可实现机—电能量的相互转换。
图2压电效应的可逆性
压电式传感器大都采用压电材料的正压电效应制成。
大多数晶体都具有压电效应，而多数晶体的压电效应都十分微弱。
随着对压电材料的深入研究，发现石英晶体和人造压电陶瓷是性能优良的压电材料。
2、压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是一种经过极化处理后的人工多晶铁电体。
多晶是指它由无数细微的单晶组成，所谓铁电体是指它具有类似铁磁材料磁畴的电畴结构，每个单晶形成一单个电畴，这种自发极化的电畴在极化处理之前，个晶粒内的电畴按任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷的极化强度为零，因此，原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。
为使其具有压电性，就必须在一定温度下做极化处理。
图3陶瓷极化过程示意图图4束缚电荷与自由电荷排列示意图
所谓极化处理，是指在一定温度下，以强直流电场迫使电畴自发极化的方向转到与外加电场方向一致，作规则排列，此时压电陶瓷具有一定的极化强度，再使温度冷却，撤去电场，电畴方向基本保持不变，余下很强的剩余极化电场，从而呈现压电性，即陶瓷片的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负。
如图3所示。
由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，故此陶瓷片对外不呈现极性。
如图4所示。
如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。
当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。
这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。
放电电荷的多少与外力成正比例关系
（1）
其中
是压电陶瓷的压电系数，
为作用力。
压电陶瓷在极化方向上的压电效应最明显。
我们把极化方向叫
轴，垂直于
轴平面上的任何直线都可作为
轴（或
轴）。
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，但剩余极化强度和特性受温度影响较大。
最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（
）。
它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成。
它的压电系数约为石英的50倍，但使用温度较低，最高只有70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。
目前使用较多的压电陶瓷是锆钛酸铅（PZT系列），它是钛酸钡（
）和锆酸铅（
）组成的
它有较高的压电系数和较高的工作温度。
铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。
它由铌镁酸铅（
）、锆酸铅和钛酸铅按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷，它具有较高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。
3、压电参数的测量方法
压电陶瓷材料的压电参数的测量方法甚多，有电测法，声测法，力测法和光测法等，这些方法中以电测法的应用最为普遍。
在利用电测法进行测试时，由于压力体对力学状态极为敏感，因此，按照被测样品所处的力学状态，又可划分为动态法，静态法和准静态法等。
（1）静态法
静态法是被测样品处于不发生交变形变的测试方法，主要用于测试压电常数，测试样品上加一定大小和方向的力，根据压电效应，样品将因形变而产生一定的电荷。
D33=d33T3
若施加力为F3，则在电极上产生的总电荷为
Q3=d33F3（1-39）
静态法的测量装置如图5所示，线路中的电容C的作用是为了使样品所产生的电荷都能释放到电容上。
因此，要求电容C越大越好，一般选择的为样品电容的几十到一百倍的低损耗电容。
图5静态法测量压电常数装置图
测量时，为了避免施加力F3时会有附加冲击力而引起测量误差，一般加压时会合上电键K1，使样品短路而清除加压所产生的电荷。
去压时先打开电键K1，使样品上所产生的电荷全部释放到电容上，用静电计测其电压V3（伏），用下式求出：
Q3=（Co+C1）V3（1-40）
式中，C3为样品的静电容（法）；
C为外加并联电容（法），V3为电压（伏）。
（2）动态法
压电陶瓷材料的大部分参数都可以通过测量频率Fs和fa来确定。
生产上都采用动态法中的传输法。
图6给了一种简单的测量线路。
图6简易动态法测量
这种测量线路过于简单，有一些缺点，为了克服简单测量线路的缺点，通常采用图7所示的常用测量线路。
在振子两端有连接的电阻Ri，RT和RTo。
一般选择Ri≥10RT′，RT=RT′及RT小于振子的等效电阻R1。
这一测量电路中每个电阻的作用及阻值选择理由如下。
选择RT′≤R1/10，既RT′较下，而振子又与RT′并联，这样，振子的阻抗Z虽然随频率变化很大，但Z与RT′并联后的和阻抗随频率的变化却很小，因此，可以认为输入电压几乎保持不变。
可以选择（Ri+RT′）等于信号发生器的输出阻抗和频率计的输入阻抗与（Ri+RT′）相并联，而RT′又与振子并联，当RT′小时，它能隔离信号发生器输出电抗和频率计输入电抗对振子的影响，因此，可以提高测量fm和fn的精度。
对RT值选择是一个重要的问题。
因为RT与振子相串联，特别是振子谐振时，RT就是串联谐振电路中电阻的一部分。
RT大时，会影响谐振曲线的尖锐度，使谐振指示不准确，造成测量误差，所以要求RT越小越好。
另一方面，振子阻抗随频率的变化是通过RT上的电压变化反映到毫伏表中，为了使毫伏表能灵敏地反映这个变化，就希望大一点好。
兼顾这两方面的要求，一般选择RT小于振子的等效电阻R1，对于PZT系压电陶瓷来说，RT的数值约为几十欧。
由于形状大小不同的压电陶瓷振子的最小阻抗也不相同，所以测量时应对RT值作必要的调整。
其次，在反谐振频率时，振子的阻抗达到最大值，为了提高测量反谐振频率的精确度，应适当选择较大的RT值。
与RT′相似，RT′也能起到隔离毫伏计的输入电抗对振子的影响，所以也能提高测量fm和fn的精确度。
为了避免线路中杂散电容和外界感应所带来的测量误差，对测量线路做必要的屏蔽。
一般是将线路房于金属盒内。
夹持振子支架也影响测量结果。
对夹持振子的支架除要求能稳固地支持住振子，保证夹子与振子有良好的电接触外，还要使振子处于能自由振动状态。
所以夹子与振子的接触面要尽可能的小，并且夹在中心位置或振动节上，同时，希望支架具有尽量小的分布电容。
因为压电陶瓷是铁电体，只有输入信号电压较小时，才能得到比较正确的测量结果。
如果输入信号电压较大，就会引起非线形效应。
造成测量误差，因此，一般都在输入信号电压为1伏的情况下进行测量。
（3）等效电阻R1的测量方法
测量R1的常用方法当信号频率等于振子的谐振频率时，等效电路中的L1C1串联分路阻抗等于电子Ro。
因此，还可以在测量线路中通过开关K1，用一个可变电阻箱来代替振子，并调节可变电阻箱，使毫伏表上的读数与振子谐振时的读书相同，这时电阻箱中的电阻即等于振子的等效电阻R1。
测量R1的精确方法谐振时，等效电路中的总电流等于Co分路电流和R1分路电流之和。
如果Co分路的阻抗大于R1，则通过Co分路的电流就很小，因此，上述测量R1的方法的误差很小。
如果Co分路的阻抗小于R1，则应采用下述方法清楚Co分路所造成的误差。
并联电容法-------既然振子的分路电容Co与R1并联，那么可事先用电容点桥测出振子的分路电容Co，然后用一电容等于Co的电容器与电阻箱并联，如图7中虚线所示。
通过开关K1，再调节电阻即等于振子的等效电阻R1。
并联电感法-------用一可变电感Lo与振子并联，如图7中虚线所示，调节电感Lo使之满足（2πfsLo-1/2πfsCo）=0。
这时，通过Co分路的电流恰好与通过电感Lo的电流互相抵消。
此时，毫伏表上的读数只反映通过等效电阻R1的电流的大小。
然后按常用方法测量R1值。
四、实验内容
1、首先开机预热10min，显示部分调整为d33以及×
1；
2、测量样品的压电常数前，必须先对仪器进行校正。
取出校正规，将夹具夹住校正规。
需要注意的是：
旋转钮的旋转程度，以旋转到无声震动为准；
3、旋转校正钮，直至显示屏为499为止；
4、完成校正后，取出校正规，换待测样品，测量压电材料的压电常数d33；
同样，旋转钮的旋转程度以无声震动为准；
5、记录不同样品的压电常数数值。
五、思考题
1、为什么压电陶瓷在测试压电性能前，必须要进行极化处理？
2、压电陶瓷极化工艺主要有哪三个要素？
3、压电材料的压电性能参数主要有哪些？
举例说明正压电效应的应用。
实验三电介质材料介电性能的测试
介电特性是电介质材料极其重要的性质。
在实际应用中，电介质材料的介电系数和介质损耗是非常重要的参数。
例如，制造电容器的材料要求介电系数尽量大，而介质损耗尽量小。
相反地，制造仪表绝缘器件的材料则要求介电系数和介质损耗都尽量小。
而在某些特殊情况下，则要求材料的介质损耗较大。
所以，通过测定介电常数及介质损耗角正切，可进一步了解影响介质损耗和介电常数的各种因素，为提高材料的性能提供依据。
本实验的目的：
1、探讨介质极化与介电常数、介质损耗的关系；
2、了解高频Q表的工作原理；
3、掌握室温下用高频Q表测定材料的介电常数和介质损耗角正切值。
二、实验仪器及设备
1、仪器设备：
（1）TH2818阻抗分析仪、电感箱、样品夹具等；
（2）千分游标卡尺；
（3）导电银浆；
2、样品要求：
圆形片：
厚度2±
0.5mm，直径为Φ38±
1mm。
三、仪器描述
1、前面板说明
1仪器商标及型号；
2LCD液晶显示屏；
3软键；
4电源开关；
5机壳接地端；
6测试端；
7变压器次级测量端；
8光标键；
9USB接口；
10单位名称；
11LCRZ菜单键；
12TRANS菜单键；
13SYSTEM菜单键；
14BACKSPACE键；
15KEYLOCK键；
16DCBIAS键；
17RESET键；
18ENTER键；
19TRIGGER键；
20数值键
2、后面板说明
1IEEE488口；
2HANDLER口；
3预留接口；
4RS232C；
5铭牌；
6风扇窗；
7保险丝座；
8电源插座
3、显示区域定义
（1）显示页面区域；
（2）文件区域；
文件管理包括：
加载、保存、删除。
（3）工具域；
（4）软件区域；
（5）测量结果/条件显示区域；
显示测试结果信息和当前的测试条件。
（6）助手及数据输入区域
四、实验原理
按照物质电结构的观点，任何物质都是由不同的电荷构成，而在电介质中存在原子、分子和离子等。
当固体电介质置于电场中后会显示出一定的极性，这个过程称为极化。
对不同的材料、温度和频率，各种极化过程的影响不同。
1、介电常数（ε）：
某一电介质（如硅酸盐、高分子材料）组成的电容器在一定电压作用下所得到的电容量Cx与同样大小的介质为真空的电容器的电容量Co之比值，被称为该电介质材料的相对介电常数。
式中：
Cx—电容器两极板充满介质时的电容；
Cο—电容器两极板为真空时的电容；
ε—电容量增加的倍数，即相对介电常数
介电常数的大小表示该介质中空间电荷互相作用减弱的程度。
作为高频绝缘材料，ε要小，特别是用于高压绝缘时。
在制造高电容器时，则要求ε要大，特别是小型电容器。
在绝缘技术中，特别是选择绝缘材料或介质贮能材料时，都需要考虑电介质的介电常数。
此外，由于介电常数取决于极化，而极化又取决于电介质的分子结构和分子运动的形式。
所以，通过介电常数随电场强度、频率和温度变化规律的研究，还可以推断绝缘材料的分子结构。
2．介电损耗（tgδ）：
指电介质材料在外电场作用下发热而损耗的那部分能量。
在直流电场作用下，介质没有周期性损耗，基本上是稳态电流造成的损耗；
在交流电场作用下，介质损耗除了稳态电流损耗外，还有各种交流损耗。
由于电场的频繁转向，电介质中的损耗要比直流电场作用时大许多（有时达到几千倍），因此介质损耗通常是指交流损耗。
在工程中，常将介电损耗用介质损耗角正切tgδ来表示。
tgδ是绝缘体的无效消耗的能量对有效输入的比例，它表示材料在一周期内热功率损耗与贮存之比，是衡量材料损耗程度的物理量。
tg
ω—电源角频率；
R—并联等效交流电阻；
C—并联等效交流电容器
凡是体积电阻率小的，其介电损耗就大。
介质损耗对于用在高压装置、高频设备，特别是用在高压、高频等地方的材料和器件具有特别重要的意义，介质损耗过大，不仅降低整机的性能，甚至会造成绝缘材料的热击穿。
3、Q值：
tgδ的倒数称为品质因素，或称Q值。
Q值大，介电损失小，说明品质好。
所以在选用电介质前，必须首先测定它们的ε和tgδ。
而这两者的测定是分不开的。
通常测量材料介电常数和介质损耗角正切的方法有二种：
交流电桥法和Q表测量法，其中Q表测量法在测量时由于操作与计算比较简便而广泛采用。
本实验主要采用的是Q表测量法。
Q表的测量回路是一个简单的R—L—C回路，如图1所示。
当回路两瑞加上电压V后，电容器C的两端电压为Vc，调节电容器C使回路谐振后，回路的品质因数Q就可以用下式表示：
L
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