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1、姓 名：张伟楠同组姓名：周元剑实验报告班 级：F0703028学 号：5070309108实验成绩:实验口期：2008. 10. 13指导老师：助教17批阅口期:高温超导材料特性测量实验目的1 了解高。临界温度超导材料的基本电特性和测量方法。2 了解低温下半导体PN结的伏安特性与温度的关系。3 了解低温实验的测量方法。实验原理1 高温超导在低温测屋时，为了减少漏热，样品的测屋引线又细又长，引线的电阻与样品的电阻相 比不可忽略，对超导样品来说，引线的电阻要大很多。为了减小引线电阻和接触电阻对测屋带来的影响，通常采用四线测量法。四线测量法的方法如图1所示，外两根导线为电流端，可以流过较人的测量电流
2、，一般 采用恒流源共电。电流的大小可用标准电阻的电压算出。内两根导线为电压端，引线中流过 的电流极小，这样就可以避免引线电阻和接触电阻带来的测量误差。I VV I图一四端接线法在直流低电压测量中，如何判断和修正乱真电势带来的影响是十分重要的。实际上，由 于材料的不均匀性和温差，就有温差电势的存在。通常称为乱真电势或寄生电势。我们只要 用一段短的导线把数字电压表短接，用手靠近其中一个接线端来改变温度，我们就会看到数 字电压表读数的变化。在低温实验中，待测样品和传感器处在低温中，而测量仪表处在室温 中，因此它们的连接线处在温差很人的环境里，并且沿导线的温度分布还会随着低温液体液 面的降低、低温容器
3、的移动等变化而变化。所以在涉及直流低电压测量的实验中，判定和消 除乱真电势的影响是实验中一个十分重要的步骤。2 高温超导材料电性转变温度并不是只由温度决定，只有保持在外磁场、流经电流和应力等值足够低时，超 导样品的转变温度被称为超导临界转变温度人由于一般上述条件不能完全满足（比如地磁场），而且超导转变往往有一个区域，因此引入起始转变温度T严,零电阻温度和中 点转变温度77来表示，一般所说的转变温度4指的是邙高温超导体样品超导特性的测量采用如图1所示的四端接法，外两根导线为电流端，连 接恒流电源.内两根导线为电压端，连接内阻非常高的电压表.这样可以避免引线电阻和接 触电阻带来的测量误差.3 PN
4、结伏安特性与温度的关系在半导体理论中可导出PN结的电压卩和电流密度/关系J=AT3+iexp其中常数旷怎1, 4是比例因子，qVg=Eg, Eg是禁带宽度，Vg称能隙电压。 对上式两边取对数，整理后得到宀報（分-（3 + 帀+ %在正常情况下，卩V %,可见扌加 G）-（3+9 闷 vo即卩将随着7的升高而减小，在流过电流不变的情况卞，近似一条直线.图4给出了 PN结在不同电流下两端电压与温度的关系，从图中可看出：当电流不同时，曲线的斜率也 不同，若外延到T = 0K,它们相交与一点，对应的电压就是.由图可知，二极管PN结 能在很宽的范I制内测量温度，但由于制造工艺关系，其一致性不是很好，斜率
5、不能唯一确定.图4 PN结电压与温度的关系：84 热电偶1821年塞贝克发现由两种不同金属组成的封闭回路，当两个接点的温度不同时，电路 中会出现电动势，这个现彖称为塞贝克效应。其产生的电动势称为热电势或温差电势。热电 偶温度计的基本原理就是物理中的塞贝克效应。A pC Ti *势测量-OB T2 C图2热电偶热电偶基本结构如图2所示。它由两种金属导线A、B组成，导线A的一端与导线B的 一端焊接，形成热电偶的工作端，用它与被测物体保持热接触，焊点的温度为Tlo用来连 接测量仪表的两根导线C是同样的材料，与热电偶的自由端连接，自由端的温度D稳定不 变，所以又称为参考端。参考温度可以是水的三相点（2
6、73.16 K）,液氮（LN）的沸点（77.35 K）,或液氨（LHe）的沸点（4.2 K）等。如果热电偶工作端与参考端的温度不等，则有温差 电动势产生。温差电势的大小只与工作端与参考端的温差及电极材料有关，与电极的长度, 直径无关。热电偶制作简单，测温端体积小、热容小、响应快，故得到广泛应用。但灵敏度不够高， 一般不用于作高精度测量。在液氮至室温温区常用铜-铜银热电偶，在液氨温度至室温温区 可使用银铭一金铁热电偶。铜-铜银热电偶被人们广泛用来测量77 K至273 K的温度。这种热电偶材料容易做得均 匀，且热电势稳定，有良好的复现性，在一般的实验室条件卞即可制作。本实验就用铜-铜 银热电偶产生
7、热电势，通过查表法求得温度（实验室提供）5 金属电阻不同的材料，电阻率随温度的变化有很大的差别，它反映了物质的内部属性，是研究物 质性质的基本方法之一。当温度高于绝对温度时，在金属中，电子的定向运动受到晶格的散 射而呈现出电阻。研究表明，当（77&）0.5时，金属的电阻正比于温度7；其中e是德拜 温度。_ hVmaxL =;kB上述结论是对纯金属而言，而实际上金属存在杂质、缺陷、位错等，它们会对金属造成 附加电阻，这部分电阻近似地与温度无关。在金属的纯度很高时，金属的总电阻率可表示为 P = Pi + Po在液氮温度以上时，Pi（T） Po，因此有P % 。例如，钳的德拜温度为225 K,在
8、63 K到室温的范|韦|内，其电阻近似地正比于温度T。但精密的测量会发现它们偏离线性关系。在液氮正常沸点温度到室温的范I判内，钳电阻温度计具有良好的线性电阻温度关系，町 表示为R（T） = AT + B式中A, B是不随温度变化的常数。钳的性能稳定，电阻的温度系数较高，不易氧化，线性好，复现性好，常被用作温度的 精密测量，其测量范围的低温端可达13.81 Ko在这里，我们用钳电阻作为测量温度的指示。数据处理PN节电压及巩100电压的数据表如2Pt(mV)Upn(V)序 号5pA10nA50pA100pA500pA10.9760.9861.0071.0151.0350.9270.9370.962
9、0.9720.996&0.8820.8940.9240.9360.96440.8380.8520.8870.9000.93350.7900.8080.8470.8620.89960.7620.8060.8240.8650.88270.6920.7140.7630.7830.82980.6380.6600.7130.7340.78590.5900.6150.6730.6960.752100.5400.5670.6300.6560.717110.4930.5210.5860.6140.681120.4400.4700.5390.5680.638序 号5pA10nA5QiA100 nA500pA12
10、0.620.620.620.620.6o27.527.827.928.028.334.434.634.835.035.1441.041.241.441.541.6548.048.148.248.348.5655.055.155.255.355.4762.062.062.162.262.2869.169.569.870.170.3976.076.276.376.576.71083.083.183.283.283.31190.090.090.090.090.01297.597.597.697.697.6将PtlOO电压换算成温度之后的数据表如卜:6n(V)T(K)序 号5iA10A50pAlOOA
11、500pA序号5iAlOA50AlOOpASOOA10 9760.9861.0071 0151.035176.4376.4376.4376.4376.43cw0 9270.9370.9620.9720.996293.4294.1694.4194.6595.3930.S820.8940.9240.9360.9643110.42110.91111.40111.89112.1440.S380.8520.8870 9000.9334126.67127.16127.66127.90128.1550 7900.80S0.8470.S620.8995143.91144.16144.40144.65145.1
12、460.7620.8060.8240.S650.8826161.15161.40161.64161.89162.1470 6920.7140.7630.7830.8297178.39178.39178.63178.88178.8880 6380.6600.7130.7340.7858195.88196.86197.60198.34198.8390.5900.6150.6730 6960.7529212.87213.36213.61214.10214.59100.5400.5670.6300.6560.71710230.11230.35230.60230.6230.85110 4930.5210
13、.5860.6140.68111247.35247.35247.35247.35247.35120.4400.4700.5390.5680.63812265.82265.82266.06266.06266.06做出电压与温度的关系图如下:不同电流密度下PN节电压与温度的关系 T/K说明：其中每组的第6个数据点的测量有较人的误差，所以在图中删去。ORIGIN直线拟合结果如下：2008-10-13 20:34 7GraphlH (2454752)Linear Regression for Datal_F:Y =A + B *XParameter Value ErrorA1.195080.00204B 0.002841.11945E-5RSDNP-0.999930.002311 0.00012008-10-13 20:35 7Graph2 (2454752)Linear Regression for Datal_G:Y =A + B *XParameter Value ErrorA 1.197040.00227B 0.002731.24732E-5SD N P-0.99991
