电子陶瓷专业实验讲义改

1、电子陶瓷专业实验湖北大学物电学院电子科学与技术系2013-9目 录实验一 电介质材料的介电常数及损耗与频率的关系1实验二 电介质材料的介电常数及损耗与温度的关系5实验三 PTC热敏电阻器伏安特性测试7实验四 PTC陶瓷热敏电阻器的温度特性测试10实验五 传输法测试压电陶瓷参数13实验六 金相显微镜观察材料的显微结构17实验七 四探针方法测量半导体的电阻率19实验八 ZnO压敏电阻综合特性参数的测试24实验九 测量磁滞回线实验28实验十 电子陶瓷粉体的结构分析32实验一 电介质材料的介电常数及损耗与频率的关系<一> 实验目的 1熟练掌握MODEL TH2816型宽频LCR数字电桥的使

2、用；2测量几种介质材料的介电常数（）和介质损耗角正切（tand）与频率的关系，从而了解它们的、tand 的频率特性。<二> 实验仪器 TH2816型宽频LCR数字电桥、样品<三> 实验原理介电常数，又称电容率，是电位移D与电场强度E之比 = D/E ，其单位为F/m ，真空的介电常数 F/m ，而相对介电常数为同一尺寸的电容器中充入电介质时的电容和不充入电介质时真空下的电容之比。介电常数小的电介质，其分子为非极性或弱极性结构，介电常数大的电介质，其分子为极性或强极性结构。在交变电场作用下，电介质的介电常数为复数，复介电常数的实部与上述介电常数的意义是一致的，而虚部表示损

3、耗。介质的介电损耗是指由于导电或交变电场中极化弛豫过程在电介质中引起的功率损耗。这一功率损耗是通过热耗散把电场的电能消耗掉的结果。电介质的介电损耗一般用损耗角正切tand 表示，并定义为：。在直流电场下，电介质内只有泄漏电流所产生的电导损耗；但在交变电场中，除电导损耗外还存在着各种形式的极化所产生的损耗，即松弛极化损耗。（松弛极化：当材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力却使这些质点按电场分布，最后在一定的温度下，电场的作用占主导、发生极化。这种极化具有统计性质，叫做热松弛极化。松弛极化的带电质点在热运动时移动的距离可以有分子大小，甚至更大。

4、另外，此时的质点需要克服一定的势垒才能移动，因此这种极化建立的时间较短，可达10-210-9秒，并且需要吸收一定的能量，所以这种极化是一种不可逆的过程，松弛极化多发生在晶体缺陷处或玻璃体内。）此时，复介电常数的虚部与实部的比值，即为介电损耗值，即，又称介质损耗因数。是电介质的电位移D由于极化弛豫而落后电场E的一个相位角。由于介质的各种极化机构在不同的频率范围有不同的响应和不同频率下产生不同的电导率，所以介质的介电常数和介电损耗都是随频率的变化而变化。如不考虑边缘效应，平板试样的电容量可用下式表示： （1）式中 s 电极的面积，米2；d 介质的厚度，米； 介质材料的相对介电常数。将的值代入（1）

5、式，得到： （2） 由此得 （3） 如果电极呈圆形，当其直径为D米时，介电常数的计算公式如下： 其所用单位d 米， , D 米。测量原理如下：电感线圈，电容器组成的串联谐振回路其品质因数Q为： （4）式中x是电容器或电感线圈在谐振频率时的电抗，R是整个电路中的有效串联电阻。如图所示，在一个调谐电路中，接上一个交变电动势Ui，当回路谐振时，电容器两端的电压为电动势Ui的Q倍即图（1） （5）（5）式表示串联谐振时电容器（或电感线圈）上电压为电源电压Ui的Q倍，若Ui为一固定的已知值，只需测量UC，就能求出回路Q值。 （6）<四> 实验步骤（1）接通电源，电桥开始自检。自检结束后，面板

6、显示：显示A：C（电容） 显示B：D（即损耗tand） 显示C：F（显示：1.00kHz）速度：慢（40ms A/D积分时间） 读数：直读 等效：串联 偏置：OFF方式：连续 量程：自动 打印：OFF（2）使用按键显示A、显示B在LCR上选择测试参数；如果需要测量的是电容C和损耗tand，则不需要另外选择。等待仪器稳定20 分钟后，对仪器进行清 “0”； 为保证可靠的清零和校准测量，请遵守以下规则： 在清“0”完成后应保持测试导线的形态与清“0”时一致。 短路清“0”时应使用随机提供的镀金短路板或低阻导线使测量端短接，注意不要使HD、HS和LD、LS直接连在一起，使用夹具短路时在短路板或低阻导

7、线插入后应保持HD、HS和LD、LS本身未直接连在一起。 在所需的测量条件下（频率、电平、积分时间或测量速度）进行清“0”。 清“0”步骤如下： 开路清“0”。按【上档】【开路】后，显示器A：OPEN，显示器B：PF-SAL 此信息提醒操作人员将测试端形成开路形式（即将被测件去掉），并指出当前将执行点频清“0”。若需执行开路扫频清“0”，按【】或【】显示信息变换为： 显示A：OPEN，显示B：SF-CAL 短路清“0”。按【上档】【短路】后，显示器A：SHORT，显示器B：PF-SAL 提醒操作人员将测试端正确的短路。点频与扫频切换与开路相同。（3）将被测圆形陶瓷片接在测试夹具上，并将样品由测

8、试架引出的两极接入LCR数字电桥。电桥将对被测器件施加一定的电压和电流，可将“显示”调至“V/I”，显示其值；（4）选择合适的等效方式：按“等效”键即可选择串、并联或自动等效方式（即将被测器件看作是串联或并联的等效方式），当选择“自动”时，仪器将自动选择，判别规格为： 当阻抗大于1k时，自动选择并联等效方式；阻抗小于1k时，自动选择串联等效方式。一般的，对于低阻抗元件（大电容小电感）应使用串联等效方式；而对于高阻抗元件（小电容大电感）应使用并联等效方式。（5）选择不同的测量频率，测出不同频率下的电容C和损耗tg 的值；选择频率的方法为：按或键可选择26个典型的频率点。也可按键上当修正,显示器A

9、显示当前频率值（以kHz为单位）,按=,输入所要求的频率,按进入开始,仪器进入正常测量状态.（可设置的频率范围为：20 Hz 150 kHz）。（6）再分别将内偏调到5V, 10V重复测量.<五> 实验要求（1）根据实验原理和实验程序进行实验；（2）由测量数据,进行转换:C；（3）用origin软件绘图：打开work sheet,输入数据,绘出 f和 tg f关系曲线；（4）对所得曲线进行分析：分析e，tand与频率变化的原因，并分析产生误差的可能性；（5） 比较不同偏压下的 , tg 与频率关系曲线的异同，并分析原因。实验二 电介质材料的介电常数及损耗与温度的关系<一>

10、; 实验目的1熟练掌握MODEL TH2816型宽频LCR数字电桥的使用；2测量几种介质材料的介电系数（）和介质损耗角正切（tand）与温度的关系，从而了解它们的 、tand 的温度特性。<二> 实验仪器 TH2816型宽频LCR数字电桥、加温炉（带数字温度显示器）、样品<三> 实验原理1、介电常数介质的介电常数表征介质材料在电场中的极化程度，与测量频率、温度和湿度密切相关。这些关系的特性和介电系数值的大小都取决于极化的成份和介质的尺寸。2、介电损耗tg介质损耗是用于交流电路中的电介质材料的基本物理性质之一，引起介质损耗的原因常因介质种类不同而异。有两种基本的损耗机理：

11、漏电损耗（高温时较显著）和松驰极化所引起的损耗。介质损耗可用消耗的功率表示：P=UIcos=U2Ctg。此式说明，U2C一定时，损耗可用tg表示，称为介质损耗因数。是电介质的电位移D由于驰豫极化而落后电场的一个相位。本实验使用专用的能同时测量介质电容量和耗损以及电感和电阻的LCR数字电桥。其原理是测出跨在元件上的电压和流过元件的电流之后，通过计算得到被测元件的元件值。<四> 、tg与温度T的关系一般中性电介质材料的介电常数随温度变化不大，但具有松弛式极化的材料其则随温度变化非常激烈，一般呈非线性关系，并出现峰值。对于一般介质来说，当温度开始上升时，tg都有不同程度的增加。对有松弛式

12、极化的介质，在温度较低时，tg随T上升将出现极大值。当温度上升到一定值时，漏导损耗将占主要地位时，tg又将上升。<五> 实验步骤 (1)显示A：C（电容） 显示B：D（即损耗tand） 显示C：F（显示：1.00kHz）速度：慢（40ms A/D积分时间） 读数：直读 等效：串联 偏置：OFF方式：连续 量程：自动 打印：OFF(2)使用按键显示A、显示B在LCR上选择测试参数；如果需要测量的是电容C和损耗tand，则不需要另外选择。等待仪器稳定20 分钟后，对仪器进行清 “0”；(3)将被测圆形陶瓷片接在电炉子中的测试夹具上，并将样品由测试架引出的两极接入LCR数字电桥。电桥将对

13、被测器件施加一定的电压和电流，可将“显示”调至“V/I”，（1）接通电源，电桥开始自检。自检结束后，面板显示：显示其值；(4)选择合适的等效方式；(5)对样品升温（实验温区：室温 250 ）。温度相对恒定后，依据具体情况记录电容C和损耗tg 的值：如果温度的变化比较大，则可以每间隔 1 记录一次电容C和损耗tg 的值，如果温度变化不大，可以每间隔 5 甚至是 10 记录一次。<六> 实验要求(1) 由测量数据,进行转换:C；(2) 用origin软件绘图,打开work sheet,输入数据,绘出 T 和 tg T关系曲线.(3) 分析曲线起伏的原因，并与理论比较。实验三 PTC热敏

14、电阻器伏安特性测试<一> 实验目的通过热敏陶瓷材料PTCR的I-V特性的测量，学会和掌握一般热敏电阻器的静态伏安特性的测量方法，并通过对实验数据的处理和分析了解PTC热敏电阻器的静态伏安特性与其电阻温度特性，功率电阻特性的关系及其电压效应的影响。而且还可以学会从中获得材料（或器件）的尽可能多的有关性能参数。例如耗散系数d，恒温功率P恒以及耐电压Um等。<二> 实验内容测量给定样品的静态I-V特性曲线。<三> 原理及线路通过缓慢均匀地改变电源电压，使得通过样品的电流和端电压也相应的发生变化。由于元件在电压作用下，焦耳热将导致元件自身温度发生变化。这种自热效应和

15、电压效应将使元件电阻也发生相应的变化。在具体的实验条件下，若让电压变化得足够地慢，元件将处于热平衡状态，各平衡点的电压和电流的关系即为元件在该环境温度下的静态伏安特性。由本课程的知识可知，I-V特性和功率电阻特性是简单的坐标变换关系，因而由所测得静态伏安特性可以得到功率电阻特性：从而可进一步求得逐步施加电压到Umax情况下的实际温度特性。本实验采用直流可调稳压电源通过元件的电流和电压得到。其体线路如图。基本参数说明：1、零功率电阻：在规定温度下测量热敏电阻的电阻值。当由于电阻体内部发热引起的电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计时测得的电阻值。2、标称零功率电阻：即在室温25时的零功率电

16、阻值R25，也称额定零功率电阻值。3、最小电阻Rmin：在低于开关温度时最小的零功率电阻值。4、开关温度Tsw：PTC热敏电阻的电阻值开始发生跃增时的温度，亦称居里温度或居里点。5、开关电阻：指对应于开关温度时的零功率电阻值。6、最大电压：在规定的环境温度和静止空气中，允许连续施加在PTC热敏电阻上的最大直流或交流电压。7、平衡点电阻：指在25的静止空气中，对PTC热敏电阻施加最大工作电压Umax，当电阻体温度平衡时所具有的电阻值。Tp表示平衡点温度。8、不动作电流（常态电流）：指当PTC热敏电阻串联在负载电路中，当电路处于正常工作状态时流过PTC热敏电阻的电流值。此电流值不足以使其温度升高超

17、过居里温度。9、动作电流：室温25指使PTC热敏电阻的阻值因自热而急剧上升所需的电流值。10、零功率电阻温度系数：在规定温度下，PTC热敏电阻的零功率电阻的相对变化与引起该变化的相对温度增量之比。11、耗散系数d：规定的环境条件下，PTC热敏电阻耗散功率的变化与相应温度变化之比。12、绝缘耐电压：在连续工作条件下，允许加到PTC热敏电阻引出端与外层封装面之间的最大峰值电压。<四> 实验步聚1. 记下室温Tu=，并用万用电表测出此时热敏电阻的电阻值。2. 置样品于样品盒内的夹具上。3. 扫图接好线路。4. 打开电源开关，并调到0伏输出。5. 缓慢且均匀地升电压，直到为最大量程（或电流

18、稍回升的趋势时），电压每3v上升，可适当调节变阻箱的电阻值RN，热敏电阻两端的电压值ut约为总的输出电压u的一半，使在每个电压点要等到热敏电阻上的电压值不在变化时记录数据（总的输出电压u、变阻箱的电阻值RN、热敏电阻两端的电压值ut。(如果有条件，可测出每电压点的样品温度Tt)。6. 总的输出电压u上升到ut的最大耐压值时对应总的输出电压值。7. 关掉全部电源，实验结束。<五> 实验要求1. 在坐标纸上描给出I-V曲线，并标出刻度和单位。2. 假定元件在转变以后的温度T=Tc（恒功率区）根据此时的P和Tu的值估算出耗散系数d：3. 误差分析。实验四 PTC陶瓷热敏电阻器的温度特性测

19、试<一> 实验目的1掌握电桥法和分压法测量PTC热敏电阻器的阻温特性。2利用非线性函数关系的评定作出本实验的最佳曲线。<二> 实验基本原理正温度系数PTC热敏半导体陶瓷材料的电阻率r是随温度T升高而增大，当PTC热敏电阻器用作温度传感器时，要求高的电阻温度系数值。在(Tb，Rb)，(Tp，Rp)之间， lgRT与T近于线性关系，电阻温度系数可以用这两点割线的斜率来表示。对任一温度T（Tb到Tp之间），则有：根报电阻温度系数的定义为： 整理得： 将(Tp，Rp)点代入上式，有：式中，Rb温度Tb下的零功率电阻值 Rp温度Tp下的零功率电阻值在测量热敏材料的温度特性时。要求

20、在零功率下进行。所谓元件的零功率，是指在元件上所加电压不使元件本身发热而引起阻值变化的最大功率，一般热敏电阻的零功率约为几伏的范围。本实验介绍两种测试方法，即电桥法和分压法：1电阻式电桥法：（亦即比较法）电桥电路是测量电阻的一种常见电路：其基本原理图如图一所示图中电桥可用惠斯登电桥RN可调节标准电阻。Rt为样品，K为开关，先将K与Rt接通记下指示电压表上的指针的位置。然后将K与RN接通。调节RN使电压表上的指针与接Rt时的位置相同。因此，这时Rt=RN，测量时样品Rt置于温度可以控制的衡温器内。当Rt随着温预发生变化时，调节RN可以测出不同温度下的Rt=RN，但由于PTC热敏电阻的阻值随温度的

21、变化很大，约为两个数量级以上，一般的电桥不易满足测量要求。所以我们再介绍下面的分压法。2分压法：图 二图 一分压法测量电阻的电路可分为以下两种：图一所示电路中，E为一直流稳压电流取1.5伏左右，Rt为样品，R2为标准可调电阻，K为开关，V、V1为直流电压表一般采用数字式直流电压表。当K与Rt接通时，调节RN使V1读数为某一值，然后将K与R2接通。此时RN不变，调节R2使V1的读数不变，虽然这时RN= Rt。这种测量充分保证了元件的零功率，但要求RN的变化范围很大。而图二所示的电路既能够保证元件的零功率，又可克服上述困难。在图二中，Rt为样品，RN为标准可调电阻，E为直流稳压电源，V与V1为数字

22、式直流电压表。Rt可由下式给出：原则上测量时，固定V和V1测得RN即可求出Rt。由于Rt随温度的升高而增大，加上Rt上的电压也随之不断增大，如果一开始给定的电流电压V满足零功率的要求时，以后出现超过零功率的情况。在测量时如果取V/V1=11，则有Rt=10RN的值可通过标准电阻RN使指示电压表V1的读数为常数，而V是电源，平衡时即可读得Rt这种方法的精度很高。<三> 实验设备1超级恒温器一台2数字式直流电压表12台。3直流稳压电源一台。 4标准电阻箱一台。5样品（阻值10K左右）。6250数字温度计一台。<四> 实验步聚1. 本实验采用图二所示的电路，按图连线。2. 按

23、图二接好电路，得到V=1.43V,V1=0.13V。3. 将样品及其夹具置于恒温器内。4. 从室温起，温度每上升5，记下Rt的值。5. 作出RtT关系的最佳曲线。实验五 传输法测试压电陶瓷参数<一> 实验目的1掌握压电陶瓷性能参数的测试方法。2测量压电陶瓷的谐振频率，和反谐振频率，并由此算出机电耦合系数、。3测量谐振阻抗|Zm|和机械品质因素Qm。4测试频率常数。<二> 实验原理常利用压电陶瓷材料的谐振特性作压电器件。因为陶瓷片是一弹性体，存在固有谐振频率，当外界作用的频率等于谐振频率时，陶瓷片就产生机械谐振，谐振时振幅最大，弹性能量也最大。陶瓷片有压电效应，因此，可采

24、用输入电讯号的方法，利用逆压电效应，是陶瓷片产生机械振动，而陶瓷片的机械振动又可利用正压电效应而输出电信号，从而可制成压电振子。将压电振子（经极化工艺处理的压电陶瓷片）接入一特定的传输网络中（如图一.A、B两点），外加一定的信号电压给压电振子，并逐步改变电压频率，当频率调到某一数值时，压电振子产生谐振。此时振子阻抗最小，输出电流最大，以表示最小阻抗（或最大导纳）的频率。当频率继续增大到另一频率时，振子阻抗最大，输出电流最小，以表示最大阻抗（或最小导纳）的频率。我们把阻抗最小的频率近似作为谐振频率，阻抗最大的频率近似作为反谐振频率。图一 p型网络传输法测试线路 图二（a） 压电振子阻抗特性曲线

25、图二 (b) 压电振子电流-频率特性曲线我们可以将压电振子在谐振频率附近的参数和特性用一相应电路的参数和特性来表示，这个电路称为电振子的等效电路。L1动态电感。C1动态电容。R1动态电阻（或串联谐振电阻）C0并联电容（或静态电容）图三压电陶瓷材料的机电耦合系数是综合反映压电陶瓷材料性能的参数，是衡量材料压电性能好坏的一个重要物理量。它反映了压电陶瓷材料的机械能与电能之间的耦合效应。通过谐振频率和反谐振率（如果较小的话）可直接计算出、如果样品是圆片 如果样品是薄长片 频率常数是表征材料特性的另一个参数，定义为谐振频率与另一确定振子的尺寸之乘积，对于长条振子，此尺寸为长度，对于圆片径向振子，此尺寸

26、为直径，频率常数为赫· 米，或千赫·毫米，例如薄长片振子沿长度方向伸缩振动的频率常数为（=·）知道了材料的频率常数，就可以根据所要求的频率来确定压电振子的尺寸。用代替法测出|Zm|，并由Zm计算机械品质因素QmR1等效电阻|Zm|，单位是WCT为低频电容（用低频电桥测得）对于圆形的薄陶瓷片（D/t<10），圆片径向扩张振动，则为试样电极直径（m）；为试样厚度（m）；<三> 实验步聚1、的测量把压电振子接入测试线路的A、B两点如（图一），终端电阻接1kW或5.1W（拨K2 波段开关），K1拨到样品挡，调节讯号发生器从低频到高频，使超高频电压表指示最

27、大。此时电子计数频率计上的读数，即为谐振频率。拨开K2，使终端电阻接到1k处，继续增大信号发生器的频率，使高频电压表指示最小，此时数字频率计上指示的频率，即为反谐振频率。2谐振阻抗|Zm|的测量。把波段开关K1拨到C处，也就是用无感电阻替代了压电振子。K2拨回到1kW或5.1W处（与测相同）调节信号发生器到谐振振频率处，改变电阻箱阻值，使超高频率电压表指示与替代前接压电振子完全相同（拨动K1电压表指示不变），此时电阻箱的阻值，即为谐振阻抗|Zm|。3用电容电桥测出样品的CT。4用游标卡尺测出样品D、t。5更换样品（更换时要轻轻夹放）重复以上操作。<四> 计算样品名称|Zm|Kp（K

28、31）Qm<五> 注意事项信号发生器在开机前，应将输出细调电位器旋至最小，开机后过载指示灯熄灭后，再逐渐加大输出幅度。面板上的六挡按键开关，用作波段的选择，根据所需频率，可按下相应的按键开关，然后再用按键开关上方的三个频率扭按十进制原则细调到所需频率。当输出旋扭开得较大，过载指示灯亮，表示输出过载，应减小输出幅度。如果指示灯一直亮。应停机检查故障。<六> 讨论分析1这次实验中影响测量精度的因素有哪些？2Qm对测量、Kp和K31数据有何影响？实验六 金相显微镜观察材料的显微结构金相显微镜广泛用于研究金属和陶瓷等材料的显微组织，能在明场、暗场和偏光下进行观察、投影和摄影。通

29、过研究材料断面上的显微结构，为其生产工艺提供质量科学依据。光学系统原理将试样放置在载物台上，由光源发射出来的光线经聚光镜、反射镜、滤光片、聚光镜成象于孔径光阑，再经视场光阑到物镜均匀地照射在试样的表面，光线反射回来又经过补偿透镜和双目棱镜后成像在目镜的焦面上。用双目镜观察在视场内清晰显示出的显微组织，用于研究和分析。观察好后需要投影和摄影时，将反光棱镜旋出，光线经照相目镜再一次成像，即可以在投影屏上得到清晰的像；若需要照像，则把投影反光棱镜移出，光线经照相目镜，直接成象于底片，控制快门可以摄影。仪器的主要组成部分载物台；显微镜主体；垂直照明器；照明光源；摄影目镜与主体箱连接；摄影与投影；快门与

30、定时器的连接；电源箱；工作台及各种附件。仪器的放大倍率目镜放 大 倍 数焦 距(MM)视场直径(MM)GB 8311.2718GB 102516GB 12.52014GB 1615.62512物镜的放大倍数分别为 4, 10, 25, 40, 63 和 100物镜与目镜配合后的总倍率为: 32 1600仪器的操作方法金相显微镜的照明: 库勒照明(平行光照明)-发光系统射出一束平行光线照射在试样表面。该照明均匀，便于在系统中加入各种附件。白炽灯的调整：通过调整三个螺钉可以使光源左右、升降、前后移动，使灯丝通过聚光镜后会聚在孔径光阑的中心上并使灯丝象最小。氙灯的调整：可以松开氙灯上下两极的铜夹片，

31、把氙灯的中心调整到与球面反射镜的中心相重合。照明方式的选择(1) 明场照明： 观察视域明亮，金相组织呈黑色影像。操作：将平面半透反射镜推入光路；将暗视场转动板移出光路之外。(2) 暗场照明：试样的平坦、光泽部分在视野内是黑暗的，试样微小凹凸部分则是明亮的（暗场下工作的样品必须经过很好的抛光处理）操作：孔径和视场光阑均开到最大，将暗场转动板置于光路之中，选用或倍刻有暗场标记的物镜、薄的金属圆孔光圈及Q150高压氙灯。将平面半透明反射镜拉出光路以消除杂光干扰，提高暗场象质量。注意事项：1、观察金属材料机械断口或断面，应先用无水已醇清洗干净。2、实验报告附上不同放大倍数的晶粒晶面晶界的照片。实验七

32、四探针方法测量半导体的电阻率<一> 实验目的1、理解四探针方法测量半导体电阻率的原理；2、学会用四探针方法测量半导体电阻率。<二> 实验原理（） 体电阻率测量：图四探针法测量原理图当、四根金属探针排成一直线时，并以一定压力压在半导体材料上，在、两处探针间通过电流I，则、探针间产生电位差V。材料电阻率 （）式中C为探针系数，由探针的间距决定。当试样电阻率分布均匀，试样尺寸满足半无限大时 （ cm ） ( 2 )式中：S1、S2、S3分别为探针与，与，与之间距，用cm为单位时的值，S1=S2=S3=1mm.。每个探头都有自己的系数。C»6.28±0.05

33、单位cm。若电流取I = C 时，则V，可由数字电压表直接读出。（a） 块状和棒状样品体电阻率测量：由于块状和棒状样品外形尺寸与探针间距比较，合乎于半无限大的边界条件，电阻率值可以直接由（）、（）式求出。（b） 簿片电阻率测量簿片样品因为其厚度与探针间距比较，不能忽略，测量时要提供样品的厚度形状和测量位置的修正系数。电阻率值可由下面公式得出： （）式中：0 为块状体电阻率测量值；W：为样品厚度（um）；S：探针间距（mm）；G(W/S)为样品厚度修正函数，可由附录IA或附录1B查得；D(d/S)为样品形状和测量位置的修正函数，可由附录查得。W/S0.5时，实用。当园形硅片的厚度满足W/S0.5

34、时，电阻率为： （）（） 带扩散层的方块电阻测量当半导体薄层尺寸满足于半无限大时： （） 若取I 4.53 I0，I0为该电流量程满度值，则R0值可由数字表中直接读出的数乘上10后得到。<三> 仪器的电路及结构特征数字式四探针测试仪主体部分由高灵敏度直流数字电压表、恒流源、电源、DC-DC电源变换器组成。为了扩大仪器功能及方便使用，还设立了单位、小数点自动显示电路、电流调节、自校电路和调零电路。仪器电源经过DC-DC变换器，由恒流源电路产生一个高稳定恒定直流电流，其量程为10A、100A、1mA、10mA、100mA，数值连续可调，输送到、探针上，在样品上产生一个电位差，此直流电压

35、信号由、探针输送到电气箱内。具有高灵敏度、高输入阻抗的直流放大器中将直流信号放大（放大量程有0.2mV、2mV、20mV 、200mV、2V），再经过双积分A/D变换将模拟量变换为数字量，经由计数器、单位、小数点自动转换电路显示出测量结果。为克服测试时探针与样品接触时产生的接触电势和整流效应的影响。本仪器设立有“粗调”、“细调”调零电路能产生一个恒定的电势来补偿附加电势的影响。仪器自较电路中备有精度为0.02、阻值为19.96W的标准电阻,作为自校电路的基础，通过自校电路可以方便地对数字电压表精度和恒流源进行校准。在半导体材料断面测量时：直径范围15100mm，其高度为400mm，如果要对大于

36、400mm长单晶的断面测量，可以将座体的V型槽有机玻璃板取下，座体设有一个腰形孔，用户可以根据需要增设支衬垫块使晶体长度向台下延伸，以满足测量长单晶需求，测试架有专门的屏蔽导线插头与电气箱联结。<四> 实验步骤1、测试准备：电源开关置于断开位置，工作选择置于“短路”，电流开关处于弹出切断位置。将测试样品放在样品架上，调节高度手轮，使探针能与其表面保持良好接触。2、打开电源并预热小时。3、极性开关置于上方，工作状态选择开关置于“短路”，拨动电流和电压量程开关，置于样品测量所合适的电流、电压量程范围。调节电压表的粗调细调调零，使显示为零。4、将工作选择档置于“自校”，使电流显示出“”，

37、各量程数值误差为字。5、将工作选择档置于“调节”，电流调节在I6.28=C，C为探针几何修正系数。仪器面板主要控件介绍：1、 显示板 2、单位显示灯 3、电流量程开关 4、工作选择开关（短路、测量、调节、自校选择）5、电压量程开关6、输入插座7、调零细调8、调零粗调9、电流调节10、电源开关11、电流选择开关 12、极性开关测量电阻时，可以按表所示的电压电流量程进行选择。电流 / 电阻 / 电压0.2mV2mV20mV200mV2V100mA2m20m200m22010mA20m200m2202001mA200m2202002k100A2202002k20k10A202002k20k200k6

38、、工作状态选择开关置于“测量”，按下电流开关输出恒定电流，即可由数字显示板和单位显示灯直接读出测量值。再将极性开关拨至下方（负极性），按下电流开，读出测量值，将两次测量值取平均，即为样品在该处的电阻率值。关如果“±”极性发出闪烁信号，则测量数值已超过此电压量程，应将电压量程开关拨到更高档，读数后退出电流开关，数字显示恢复到零位。每次更换电压、电流量程均要重复35步骤。<五> 注意事项1、电流量程开关与电压量程开关必须放在下表所列的任一组对应的量程电压量程2V200mV20mV2mV0.2mV电流量程100mA10mA1mA100A10A2、 电阻（V/I）测量，用四端测量

39、夹换下回探针测试架，按图接好样品，选择合适的电压电流量程，电流值调到10.00数值，读出数值为实际测量的电阻值。3、 方块电阻测量，电流调节在4.53时，读出数值´10倍为实际的方块电阻值。4、 薄片电阻率测量：当薄片厚度>0.5mm时，按公式（3）进行；当薄片厚度<0.5mm时，按公式（4）进行。5、 仪器在中断测量时应将工作选择开关置于“短路”；电流开关置于弹出断开位置。附技术参数：测量范围电阻率：10-4103cm；方块电阻：10-3104；电阻：10-6105；四探针测试探头：探针间距：mm；游移率：±1.0%；探针：碳化钨 0.5mm压力：02kg可调

40、。实验八 ZnO压敏电阻综合特性参数的测试<一> 实验目的通过对ZnO压敏电阻综合特性参数的测量，熟悉和掌握ZnO压敏电阻的工作原理，测试方法，并通过对实验数据的分析和作图，了解ZnO压敏电阻伏安特性的非线性效应。<二> 实验内容（1） 测定给定样品压敏电压V1mA，漏电流IA，V0.1mA，（2） 测量给定样品的IV特性曲线。<三> 实验原理 压敏电阻器是电阻值对外加电压敏感的电子元件。压敏电阻器的电阻值在一定的电流范围内是可变的。图一给出了它的UI特性曲线，这不是一条直线，因而也称压敏电阻器为非线性电阻器。 当压敏电阻器中通过1mA的直流电压时，两端产生

41、的 电压降 U1mA称为压敏电阻器的 压敏电压。也称为转折电压或导通电压。它是表示压敏电阻器由线性区转入非线性区的电压。漏电流有时也称为等待电流。当压敏电阻器未受电冲击时，上面加上正常线路的工作电压，这时它处在高阻态（等待态）；当由电压冲击时，它立即转入导通态，在高阻态时流过压敏电阻器的 电流称为漏电流。漏电流的测量时取压敏电压值的某个百分值（如75或83%）。由于压敏电阻器的工作电流和电压范围可跨几个数量级，因此常用对数坐标表示UI特性，如图二所示。图中： I区预击穿区，该区的UI特性近乎直线； II区击穿区，也称非线性区，此时压敏电阻器的电阻值随电压升高而降低； III区回升区，UI特性向

42、线性区过渡。压敏电阻器可用一等效电路来表示，如图三（a）所示。图中L为引线电感，C为压敏电阻器的固有电容（典型值约为0.002F)，Rv为非线性电阻(阻值在0O之间变化），R0FF为 低电压下的晶界漏电阻，RON为大电流下的晶粒体电阻（如Zn0压敏电阻器，典型值约为110左右）。在预击穿区，压敏电阻器处于高阻状态，它只是很小的漏电流，在电路中几乎不消耗能量。这时Rv趋向无穷大，并联的ROFF起主导作用，RON与ROFF相比可以忽略，所以等效电路可用图三（a）所示的表示。 在击穿区，压敏电阻器的电阻Rv随电压升高而急剧降低。在此区段，电流变化了几个数量级，而电压基本上不变，表现为非线性电阻性质，

43、不过当RvRON时，等效电路可用图四（a）所示的表示。在回升区，UI特性向线性区过渡，此时电流很大，及v趋向于零。RON是线性电阻，大电流下在RON上的压降大于在Rv上的压降，所以等效电路如图四（b）所示。该实验使用YM-型智能式压敏电阻系数仪测量仪，仪器使用0.1MA和1MA恒流源，测量漏流的电压的百分之七十五。<四> 仪器操作及注意事项 (一) 操作 1、 校零：接通后盖板上的电源开关，仪器显示器的最富位显示提示符号P，其他数码管不亮，此时仪器处于自动校零状态；约三分钟后仪器所有参数显示变为零，蜂呜器响，自动校零完毕,提示可进行操作。在校零期间不能进行键操作(只有复位键例外，按

44、复位键后仪器会重复上述过程。) 2、输入上限、下限值： 输入压敏电压上限(下限)值： 先重复按“位键”，待压敏电压显示窗口最低位的小数点亮后，再按相应数字键，压敏电压显示窗口显示按键数字，当选好需要的上限(下限)值后，再按一下上限键(下限键)所选上限(下限)电压值存入仪器。 输入漏流上限值： 重复按“位键”，待漏流显示窗口最低位的小数点亮后，按相应数字键，漏流显示窗口显示按键数字；当选好需要的上限值后，按一下上限键，所选漏流值存入仪器。 输入压比的上限值： 重复按“位键”，待压比显示窗口最低位小数点亮后，按相应数字键，压比显示窗口显示相应数字。当选好需要的上限值后，按一下上限键，所选压比值存入

45、仪器。当不需要输入上下限值时，待仪器出现全零后，接好压放电阻再按测量键，就可进行测量。（二）、测量 接通后盖板上的电源开关，仪器显示器的最高位显示提示符号P，其他位不亮，此时仪器在进行自动校零，约三分钟后仪器所有参数显示变为零，蜂呜器响。接好待测压放电阻，按测量键，仪器便在0.52秒内测量出压敏电压、压比和漏流三个参数。如果在开机或复位后通过按键操作规定了参数的上限或下限值，而被测压放电阻某参数超限，则相应指示灯亮，每测完一个压敏电阻，烽鸣器响，提示可进行下一次测量。 在打开电源或是按过里复位键后三分钟，在还未按测量键进行第一次测量前，不能进行其他键操作；在按测量键进行第一次测量后，不能再进行

46、其他键操作，只有复位键例外，任何情况下按复位键都能，使仪器复位。仪器前面板：设有16只操作键，12只数码管，4只上下限指示灯，2个接线往。 16只操作键包括：09十个数字键，一个小数点键和五个功能键。 12只数码管：分别用来显示压敏电压(4只)漏流(4只)以及压比(4只)。 4个指示灯：分别用来指示压敏电压超上限，超下限和漏流压比的超上限。 2个接线柱：用于接待测压敏电阻或接测试夹具。 仪器后面板：仪器后面板设有电源开关、复位按钮、两个接线柱。(复位按钮的作用与前面板的复位键功能相同，如果按复位键不起作用，可按后面板上的复位按钮。两个接线柱可按一个机械按键，其功能与前面板的测量键相用。) 注意

47、事项 1) 应尽量避免在没有接好待测压敏电阻时按测量键，若没有接好话测压敏电阻按测量键，仪器将显示H0000000000，这表示仪器内部的开路保护功能在起作用。 2) 应尽量避免在输出短路时按测量键，若在短路情况下按测量键，仪器将显示L0000000000，这表示仪器内部短路保护功能在起作用。 3) 如果不需要存上下限值，请不要随便按“位键”或“上下限键”。例如：当仪器出现全0后，按“位键”某显示窗口的最低位小数点亮后，再按上(下)限键，仪器就会把此时的零值误当上(下)值存入仪器。 4) 当仪器漏流显示窗口出现提示符号：F时，这是正常现象。提示操作者：漏流值超出了测量范围。 5) 仪器前面板上

48、的两个弹簧接线柱是为接待测压敏电阻而设置的，红色为正输出。在按了测量键后，蜂呜器响之前有直流高压输出，人体触及将有电麻感觉(没有生命危险)。要经常保持接线柱的清洁，以免漏电影响测量精度。 待测量压敏电阻可插在接线柱上，也可插在方便的夹具上，再从夹具引线至接线柱，但要注意从夹具到接线柱的引线长度最好不要超过50cm，否则影响测量精度。 使用条件： a、电源电压：220V±l0 b、环境温度：040 C、宜在通风干燥环境中使用<五> 实验步骤1、应用YM-型智能式压敏电阻系数仪测量给定样品的V1mA,V0.1mA,和IL，2、由=1/lg (V1mA/V0。1mA)计算给定样

49、品的非线性系数。3、应用直流稳压电源测量不同电压下通过ZnO压敏电阻的电流，作ZnO压敏电阻的IV 特性曲线。撰写实验报告。实验九 测量磁滞回线实验<一> 实验目的1. 认识铁磁物质的磁化规律。2. 测定样品的HC、Br、Bs等参数。3. 用绘图软件origin8.0画出样品的磁滞回线图。<二> 实验装置图1 铁磁质起始磁化 曲线和磁滞回线 HH-15型 VSM样品震动磁强计（Vibrating Sample Magnetometer）<三> 实验原理图2 同一铁磁材料的 一簇磁滞回线铁磁物质是一种性能特异，用途广泛的材料。铁、钴、镍及其众多合金以及含铁的氧

50、化物（铁氧体）均属铁磁物质。其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，故磁导率很高。另一特征是磁滞，即磁化场作用停止后，铁磁质仍保留磁化状态，图1为铁磁物质的磁感应强度B与磁化场强度H之间的关系曲线。图 3 铁磁材料µ与H并系曲线图中的原点O表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即BHO，当磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段oa所示，继之B随H迅速增长，如ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至HS时，B到达饱和值BS，oabs称为起始磁化曲线。图1表明，当磁场从HS逐渐减小至零，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到“O”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，比较线段OS和

51、SR可知，H减小B相应也减小，但B的变化滞后于H的变化，这现象称为磁滞，磁滞的明显特征是当HO时，B不为零，而保留剩磁Br。当磁场反向从O逐渐变至HD时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁，必须施加反向磁场，HD称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段RD称为退磁曲线。图1还表明，当磁场按HSOHD-HSOHD´HS次序变化，相应的磁感应强度B则沿闭合曲线SRDSRDS变化，这闭合曲线称为磁滞回线。所以，当铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器中的铁心），将沿磁滞回线反复被磁化去磁反向磁化反向去磁。在此过程中要消耗额外的能量，并以热的形式从铁磁材料中释放，这种损耗称为磁滞损

52、耗，可以证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。应该说明，当初始态为HBO的铁磁材料，在交变磁场强度由弱到强依次进行磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一簇磁滞回线，如图2所示，这些磁滞回线顶点的连线称为铁磁材料的基本磁化曲线，由此可近似确定其磁导率=B/H，因B与H非线性，故铁磁材料的不是常数而是随H而变化（如图3所示）。铁磁材料的相对磁导率可高达数千乃至数万，这一特点是它用途广泛的主要原因之一。图 4 不同铁磁材料的磁滞回线可以说磁化曲线和磁滞回线是铁磁材料分类和选用的主要依据，图4为常见的两种典型的磁滞回线，其中软磁材料的磁滞回线狭长、矫顽力、剩磁和磁滞损耗均较小，是制造变压器、电机、和

53、交流磁铁的主要材料。而硬磁材料的磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁强，可用来制造永磁体。<四> 振动样品磁强计的测试方法1、前面介绍的为振动样品磁强计的基本原理。要将这些原理变为现实，以下装置必不可少： （1）稳定、可靠的振动系统 （2）数字化控制的磁场源（超导线圈或电磁铁） （3）锁相放大器，用于线圈感应信号的选频和放大 （4）辅助同步信号源，与样品振动同频率，用来精确控制样品振幅 （5）磁场测量系统 （6）控温系统（如果需要测量温度特性）此外，计算机负责控制测试及结果的处理，图5显示了振动样品磁强计的基本结构。以下针对若干重要组成部分分别作介绍：图5振动样品磁强计的基本结构2、测试样

54、品的准备 磁性样品大多做成小于2-3mm直径的小球。对于VSM开路测量来说，球形样品无疑是最佳样品形状，这样做保证了样品各个部位磁化的均匀性，且经过退磁场修正以后能够精确的还原出样品的有效磁化曲线。然而这并不表明VSM仅能够测量球形样品，其他形状的样品，甚至包括不规则形状样品一样可以进行VSM开路测量。对于圆柱体、平行六面体形状的样品，根据其形状参数可查阅相关资料获得自退磁因子并进行退磁场的修正；对于磁带或薄膜样品，将其做成圆盘的形状最易接受，因为圆盘的退磁因子大致等同于一个两轴相等的扁椭球。此外，VSM还适用于块状、粉末、薄片、单晶和液体等多种形状和形态的材料，能够在不同的环境下得到被测材料的多种磁特性。3、VSM的操作步骤、打开循环水；、打开电源闸刀；、打开左边仪器上的控制扫描部分的电源按钮，按下之后，过几秒会听到“咚”的一声；然后打开中间仪器上面示波器这部分的电源按钮（旋转按开）；、仪器预热：打开中间仪器下的扫描电源，将扫面电源指针调至2处，预热30分钟；然后将扫描电源指针调至4处，预热