第三章 半导体热电特性综合实验仪
实验三 电阻温度计与非平衡直流电桥
直流电桥是一种精密的电阻测量仪器,具有重要的应用价值.按电桥的测量方式可分为平衡电桥和非平衡电桥.平衡电桥是把待测电阻与标准电阻进行比较，通过调节电桥平衡，从而测得待测电阻值，如单臂电桥（惠斯登电桥）、双臂直流电电桥（开尔文电桥）.它们只能用于测量具有相对稳定状态的物理量，而在实际工程中和科学实验中，很多物理量是连续变化的，只能采用非平衡电桥才能测量.非平衡电桥的基本原理是通过桥式电路来测量电阻，根据电桥输出的不平衡电压，再进行运算处理，从而得到引起电阻变化的其他物理量，如温度、压力、形变等.
一、目的要求
学习与掌握用非平衡直流电桥电压输出方法测量电阻在基本原理和操作方法. 学习与初步掌握非平衡电桥的设计方法；学习与掌握根据不同待测电阻值选择桥式.
二、实验仪器
1. YJ-SB-1半导体热电特性综合实验仪、2. Pt100温度传感器、3.数字万用表（自备）、4.非平衡直流电桥及应用实验模板、5.热敏电阻温度传感器 .
三、实验原理
非平衡电桥原理如图3所示：B、D之间为一负载电阻Rg，只要测量电桥输出
B R4=Rx I4 C I3 R2 I2 R3 D Ug、Ig即可得到Rx值.
电桥分类
等臂电桥：R1=R2=R3=R4. 输出对称电桥，也称卧式电桥：R1=R4=R，R2=R3=Rˊ,且R≠Rˊ.
电源对称电桥，也称立式电桥：R1=R2=R，R3=R4=Rˊ,且R≠Rˊ.
输出电压
当负载电阻Rg+→∞，即电桥输出处此种情况.
US 图3 A R1 I1 Ug 于开路
状态时，Ig=0，仅有电压输出，用U0表示，若后面接数字电压表或高阻抗放大器时属根据分压原理，ABC半桥的电压降为US，通过R1、R4两臂电流为
US （1） I1?I4?R1?R4
则R4上的电压降为
UBC?R4?US （2）
R1?R4 UDC?R3?USR2?R3
（3）
同理R3上的电压降为
输出电压U0为UBC与UDC之差
U0?UBC?UDC?R2R4?R1R3?US(R1?R4)(R2?R3)R1R3者 R?R24 （4）
满足条件
R1R3?R2R4或
（5）
时，则电桥输出U0=0，即电桥处于平衡状态，式（5）就称为电桥平衡条件.为了测量的准确性，在测量的起始点，电桥必须调至平衡，称为预调平衡.这样可使输出只与某一臂的电阻变化有关.
若R1、R2、R3固定，R4为温度之函数Rt=R（t）=Rx，则当温度从t→t+Δt
R2R4?R2?R?R1R3?US(R1?R4)(R2?R3)??R(R2?R3)
（6）
时，R4→R4+ΔR，因电桥不平衡而产生的电压输出为
U0(t)? 若阻值变化很小，即ΔR< （7） 可以略去，室温t0时预调平衡，则（6）式变为 R2?RU(t)??US 0(R1?R4)(R2?R3) 由此可得三种电桥的输出为 等臂电桥 U?RU?R1U0(t)?S???S?4R1?1??R4R（8） 2R 卧式电桥 US?RUS?R 1U0(t)?????1?R4R 4R1??2R （9） 立式电桥 U0(t)?US?RR??R1RR??R???U??S(R?R?)2R1?1??R(R?R?)2R2R（10） 显然，当ΔR< R的一点是公式（7）--（10）中之R和Rˊ，均为预调不衡后的电阻值.测量到输出电压后，通过上述公式运算到ΔR（x）/R或ΔR（t），从而求得R（t）=R+ΔR（t）. 由（8）--（10）式可知，在R、ΔR相同的情况下，等臂电桥、卧式电桥输出 电压比立式电桥的输出电压高，因此灵敏度也高，但立式电桥测量范围大，可以通选择R、Rˊ来扩大测量范围，R、Rˊ差距愈大，测量范围也愈大. 3. 铂电阻 导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器.，能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下特性： （1） 电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关 系； （2） 电阻率高，热容量小，反映速度快； （3） 材料的复现性和工艺性好，价格低； （4） 在测量范围内物理和化学性质稳定.目前，在工业应用最广的材料是铂铜. 铂电阻与温度之间的关系，在0-630.74℃范围内用下式表示 RT=R0（1+AT+BT2） （11） 在-200-0℃的温度范围内为 RT=R0[1+AT+BT2+C（T-100℃）T3] （12） 式中，R0和RT分别为在0℃和温度T时铂电阻的电阻值，A、B、C为温度系数，由实验确定，A=3.90802×10-3℃-1，B=-5.80195×10-7℃-2，C=-4.27350×10-12℃-4.由式（11）和式（12）可见，要确定电阻RT与温度T的关系，首先要确定R0 的数值，R0 值不同时，RT与T的关系不同.目前国内统一设计的一般工业用标准铂电阻 R0 值有100Ω和500Ω两种，并将电阻值RT与温度T的相应关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度表，分度号分别用Pt100和Pt500表示. 铂电阻在常用的热电阻中准确度较高，国际温标ITS-90中还规定，将具有特殊构造的铂电阻作为13.5033K-961.78℃标准温度计使用，铂电阻广泛用于-200-850℃范围内的温度测量，工业中通常在600℃以下. 4.测温不平衡电桥如图4所示，电桥电路为输出对称电桥，（卧式电桥），VBD为电桥的输出端，用数字表可直接测量电桥的输出电压. 四、实验内容 1、安装好实验仪器，将装有金属电阻Pt100插入恒温腔中. 将Pt100温度传感器 图4 引线接入实验模板Rt之间，调节R11使之为100.0Ω,然后用导线连接Rt 与R11,接入5V的工作电压，用数字万用表测量VBD输出端电压,调节Rw使电桥平衡(VBD=0). 2、用导线和专用电缆将实验装置与主机相连，打开主机电源开关，选择适当的功能（制冷或加热）. 2、3、打开制冷加热开关，若选择的是制冷功能就逆时针调节“制冷温度粗选” 和“制冷温度细选”旋钮到底，“加热 制冷”功能选择开关上的指示灯发亮（制冷状态），同时观察紫铜恒温体的温度（数字温度表）的变化，当数字温度表上的温度即将达到所需温度（如0.0℃）时顺时针调节“制冷温度粗选” 和“制冷温度细选”旋钮使指示灯闪烁（恒温状态），仔细调节“制冷温度细选”使温度恒定在所需温度（如0.0℃）. 3、待恒温腔内的温度稳定在所需温度（0.0℃）后，调节实验模板的Rw使电桥平衡(VBD=0). 4．重新选择所需温度T2（10.0℃）、T3（20.0℃）、T4（30.0℃）、T5（40.0℃）、T6（50.0℃）、T7（60.0℃）、T8（70.0℃）、T9（80.0℃）、T10（90.0℃）、T11（100.0℃）、T12（110.0℃），测出各温度时，电桥的输出电压.测量出其对应的阻值U10、U20、U30、U 40、U 50、U 60、U 70、U 80、U 90、U 100、U 110. 5、改变工作电压，复以上步骤，比较电桥输出电压有何不同. 6、根据上述实验数据，绘出V-t曲线. 7、根据V-t曲线，用该电桥测量温度. 8、将Pt100温度传感器换成NTC温度传感器，重新组成电桥并测量. 实验四 半导体热电特性的研究 半导体热电特性的研究 一．实验目的 1、 了解半导体制冷电堆的工作原理; 2、 了解半导体材料的帕尔贴效应； 3、 了解半导体材料的塞贝克效应. 二．实验仪器 YJ-SB-1半导体热电特性综合实验仪. 三．实验原理 半导体制冷与传统的压缩气体制冷方法不同的是它没有制冷剂，无复杂的运动机械部件和管路.其优点为外型尺寸小、重量轻、无机械运动摩擦、无噪声、可精确控制、可平移调节温度工况与制冷量.不存在由于制冷剂泄露而引起的气污染，其维护简单，使用管理方便，在许多领域尤其是在医疗领域中有厂泛的应用. 1.半导体热电材料的制冷原理 半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，主要是利 图5 3 4 吸热 金属片A P 散热 N 2 1 金属片B1 金属片B1 散热 用热电效应中的帕耳帖效应达到制冷目的.1834年法国人珀尔帖发现了珀尔帖效应 （PELTIER EFFECT）,帕耳帖效应是指在两种不同材料构成的回路上加上直流电压，相交的结点上会出现吸热或放热的现象.因此，在由A有最佳热电转换特性的半导体热电材料组成的P一N结两端，加上一定的直流电压，利用半导体热电材料的特性就可以实现制冷或制热功能. 如图5 为半导体热电单元制冷原理图.当电流的极性如图3所示时，电子从电源负极出发，经金属片B,、结点4,P型半导体、结点3、金属片A、结点2,N型半导体、结点1、金属片Bz，再回到电源的正极.但是P型半导体的多数载流子为空穴，其空穴电流方向与电子相反.而空穴在金属中所具有能量低于在P型半导体中所具有的能量.因此空穴在电场的作用下由金属片A通过结点3到达P型半导体时，必须增加一部分能量.但是空穴白身无法增加能量，只有从金属片A处吸收能量，并且把这部分热能转变成空穴的势能，因而使金属片A处的温度降低.而当空穴沿P型半导体经结点4流向金属片B，时，由于P型半导体中空穴能量大于金属B,中空穴的能量，因而空穴要释放出多余的势能，并巨将其转变为热能释放出来，则使金属片B,处温度升高.而图 中 右 半部分是由N型半导体与金属片A和金属片B:相连.N型半导体的多数载流子为电子，而电子在金属中的势能低于在N型半导体中所具有的势能.在电场的作用下，电子从金属片A通过结点2到达N型半导体时必然要增加势能，而这部分势能只能从金属片A处取得，结果金属片A处的温度必然会降低.而当电子从N型半导体经结点1流向金属片B:时，因电子由势能高处流向势能低处，因此在金属B:处释放能量，使之转变为热能释放出来，则使金属片B，处温度升高. 综上分析 ，金属片A处的温度在此电流状态下温度会降低而成为冷端，因而低温的金属片A便从周围介质吸收热量而使周围介质得到冷却;金属片B1和B2处由于载流子的释放能量而使之的温度升高，成为热端，在制冷过程中热端所产生的热量必须排走.吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定.一般制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆，以达到增强制冷（制热）的效果，本实验所使用的半导体制冷片每片上集成了126对电偶串联成的热电堆.把直流电流反向，半导体致冷堆的冷端、热端就会互换. 2.半导体热电材料的温差电效应 早在1823年德国的物理学家Thomas Seebeck就在实验中上发现, 在具有温度梯度的样品两端会出现电压降, 这一效应成为制造热电偶测量温度和将热能直接转换为电能的理论基础, 称为Seebeck（塞贝克）效应. 这一效应成为实现将热能直接转换为电能的理论基础. 图6为实现热电转化模式的简单示意图. 随着半导体材料的深入研究和广泛应用，热电性能良好的半导体材料和半金属材料使热电效应的效率大大提高，从 而使热电效应发电渐步入实用阶段，目前在国防、工业、农业、医疗和日常生活等领域热电效应均有一定应用. 四．实验内容 1、安装好实验仪器，用导线将直流稳压电源输出与实验装置的两接线柱相连，用 P TC LOADRL 图6 N TH