1、測不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)（物理與電子信息學(xué)院物理學(xué)專業(yè)2009級漢班，內(nèi)蒙古呼和浩特010022）指導(dǎo)教師：哈斯朝魯摘要：導(dǎo)熱系數(shù)的測量一直是基礎(chǔ)物理實驗的熱點和難點，本文詳細(xì)的介紹了穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法測 量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)的實驗過程及其遇到的問題和結(jié)果分析，并比較了兩種測量方法的優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱系數(shù)；穩(wěn)態(tài)法；非穩(wěn)態(tài)法 中圖分類號：O4711引言導(dǎo)熱系數(shù)（又稱熱導(dǎo)率）是表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的物理量，熱傳導(dǎo)是熱交換的三種熱 傳導(dǎo)、對流和輻射）基本形式之一，是工程熱物理、材料科學(xué)、固體物理及能源、環(huán)保等各個研 究領(lǐng)域的課題材料的導(dǎo)熱的導(dǎo)熱機(jī)理在很大程度上取決于它的微觀熱量的傳遞依靠原子、 分子圍繞平

2、衡位置的振動以及自由電子的遷移，在金屬中電子流起支配作用，在絕緣體和大部分 半導(dǎo)體中則以晶格振動起主導(dǎo)作用。料結(jié)構(gòu)的變化與所含雜質(zhì)對導(dǎo)熱系數(shù)值都有明顯影 響，因此導(dǎo)熱系數(shù)由實驗具體測定。測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法一般分為兩類：穩(wěn)態(tài)法與非穩(wěn) 態(tài)法。2正文2.1非穩(wěn)態(tài)法測導(dǎo)熱系數(shù)【實驗?zāi)康摹繉W(xué)習(xí)用閃光法測定不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法；了解一種測定材料熱物性參數(shù)的方法；學(xué)習(xí)使用高壓脈沖光源和光路調(diào)節(jié)技術(shù)及微機(jī)控制實驗和采集處理數(shù)據(jù)?！緦嶒瀮x器介紹和鏈接】1閃光法導(dǎo)熱儀：高壓脈沖疝燈及電源、光學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、待測樣品、P-N結(jié)溫度傳感器、放大電路、AD/DA卡，微機(jī)、軟件。2實驗儀器介紹：（1）光學(xué)系統(tǒng)：包含高壓脈沖

3、疝燈、疝燈電源、橢球反光鏡、樣品和樣品盒、疝燈及樣品的三維調(diào)節(jié)裝置。當(dāng)電極的兩端加高壓600-1000V,極間就會發(fā)出耀眼的白光(不能用肉眼直接觀看)，對試樣進(jìn)行加熱。 測溫系統(tǒng)：包含PN結(jié)溫度傳感器(將熱信號轉(zhuǎn)化為電信號)、測溫電路板、 試樣等。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：包含微機(jī)(能快速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。本實驗 對微機(jī)要求為80486以上，考慮到一機(jī)多用，選用了 Intel800MHzCPU, 128MB 內(nèi)存，20GB的硬盤)、多通道高速AD/DA轉(zhuǎn)換卡(由AD轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為計算 機(jī)可以識別的數(shù)字信號。采集過程中DA轉(zhuǎn)換功能用于去觸發(fā)高壓脈沖電源， 使氙燈極間放電發(fā)出閃光。)、軟件等。3實驗

4、儀器的連接：光學(xué)系統(tǒng)使疝燈電極中心在第一焦點處(距反光鏡底口約15mm處)。調(diào)節(jié)樣品架位置距反光鏡大口約96.6mm。調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)裝置，使高壓脈沖氙燈、橢球反光鏡的中心和樣品的圓心在同一 條直線上。測溫系統(tǒng)測溫系統(tǒng)的主要是意圖數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：本實驗的電路已由實驗室事先連接好，PCI7483卡、信號放大卡、電路板等 都已經(jīng)置于相應(yīng)的卡槽中，我們做的就只需要將測溫二極管與補(bǔ)償二極管用專 線接入放大電路中。軟件安裝過程：a硬件安裝部分首先關(guān)機(jī)，打開機(jī)箱，插入pci7483卡及信號放大卡，再開機(jī)，WINDOWS XP已經(jīng)安裝完成，只用將分辨率設(shè)定為1024*768。b在C盤中建立文件夾C:pr

5、ogram fileshotecpci7483,將隨A/D卡U盤中 文件夾driverpci7483中所有文件拷入上述文件夾中。c將前述文件夾 pci7483中windrvr.vxd和windrvr.sys兩文件拷入 c:windowssystem 和 c:windowssystem32drivers 兩文件夾中。d從控制面板【系統(tǒng)】設(shè)備管理器中安裝 JUNGOpci7483,定制驅(qū)動程序位置 c:program fileshotecpci7483e 點擊開始【運(yùn)行】瀏覽，找“c:program fileshotecpci7483wdreg.exe”, 在其后加一空格，再加intall,確定，

6、執(zhí)行之。f插入本實驗系統(tǒng)安裝U盤，點擊“set up”圖標(biāo)，自動安裝本系統(tǒng)軟件 【實驗原理】傅里葉導(dǎo)熱定律和熱導(dǎo)率熱傳導(dǎo)是指發(fā)生在固體內(nèi)部或靜止流體內(nèi)部的熱量交換過程。其微觀機(jī)制是， 由自由電子或晶格振動波作為載體進(jìn)行熱量交換的過程。宏觀上是由于物體內(nèi)部存 在溫度梯度，發(fā)生從高溫區(qū)向低溫區(qū)域傳輸能量的過程。1822年Fourier首次在他的著作熱的理論分析中闡述了導(dǎo)熱熱流和溫度梯度 的正比關(guān)系。我們用熱流密度的矢量形式表示，有傅立葉導(dǎo)熱定律：q = -k gradT其中q為熱流密度矢量，表示在單位等溫面上沿溫度降低方向單位時間內(nèi)傳遞的 熱量。k是熱導(dǎo)率，顯然是反映物質(zhì)導(dǎo)熱能力的重要物性參數(shù)，其

7、物理含義是：每 單位時間內(nèi)，在每單位長度上溫度降低一度時，每單位面積上通過的熱量。在1994 年實施的國家標(biāo)準(zhǔn)量和單位一書中定義熱導(dǎo)率(thermal conductivity)為面 積熱流量除以溫度梯度，單位為w/m-k 材料熱導(dǎo)率的測量方法閃光法是測定熱擴(kuò)散率最常用的一種方法。采用圓形薄試樣，其一面有一個脈 沖型的熱流加熱，根據(jù)另一面溫度隨時間的變化關(guān)系，a可確定熱擴(kuò)散率，進(jìn)而由 公式k=a.p.c可以得到熱導(dǎo)率k，其中c和P分別為材料的比熱容和密度。原理示意圖見圖9-1。假設(shè)有一脈沖光脈沖波形溫度響應(yīng)圖脈沖光脈沖波形溫度響應(yīng)圖9T束能量為Q的脈沖光在,=0時刻照射在試樣表面(試樣為薄圓片

8、狀，脈沖光沿垂 直于圓面的軸線方向輻照)，且被試樣均勻吸收，可以認(rèn)為在距表面的微小距離/內(nèi) 樣品溫升為： TOC o 1-5 h z T(x,O) = g/p -c -I (0 x/)si、T (x,0) = 0(Z x L)(9-1)式中Q為單位面積吸收的能量，乙為樣品厚度且ld /O當(dāng)試樣周圍熱損 很小以至可以忽略時，可以認(rèn)為側(cè)面絕熱，可用一維導(dǎo)熱微分方程況(X,t)二 a 仞八兀 n(0 x0 ），若平面面積均1212為S，在5 r時間內(nèi)通過面積S （從一個平面?zhèn)鞯搅硪粋€平面）的熱量52滿足下述表達(dá)式：普=XS 5r（3-1）式中5 q/51為熱流量，入即該物質(zhì)的熱導(dǎo)率（又稱導(dǎo)熱系數(shù)：表

9、示物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物 理量，入在數(shù)值上等于相距單位長度的兩平行平面溫度相差1個單位時，在單位時間內(nèi) 垂直通過單位面積的熱量）。導(dǎo)熱系數(shù)的SI單位：瓦特每米開爾文，單位符號為w/（m.k）。導(dǎo)熱系數(shù)過去常用的非SI制單位是卡每秒厘米開爾文，單 位符號為cal/ （s cm k ），它與SI單位的換算是： 1cal / （s cm k）=418.68W / （m k）。本實驗采用穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行測量，其原理如圖3-1所示。當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，樣品上、下面的溫度002的值將不變，這時可以認(rèn)為發(fā)熱盤A通過 圓盤樣品B上平面?zhèn)魅霟崃康乃俾逝c由散熱盤P向周圍環(huán)境散熱的速率相等。由式（3-1） 可知通過B盤的傳熱速

10、率：5Q =入冗r 2（3-2） 圖3-1傳熱盤和樣品51h b式中，R為圓盤樣品的半徑，hB為樣品的厚度。P盤在溫度為0時的散熱速率滿足下述 表達(dá)式：50 mc5 Q 50 mc5 Q * 一 mc o5151式中，m為P盤的質(zhì)量，c為其比熱容，（3-3）0 -0 2普|為P盤處在0時的冷卻速率。由（3-2）、（3-3）兩式得:人01馬兀R人01馬兀R 2 hbB.50九 一 mc51|mc |0=02h 10=0 2 0 -0 X 兀 R 2（3-4）（3-5）所以只要測出樣品質(zhì)量、厚度、半徑以及溫度變化，就可以求出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。2.3穩(wěn)態(tài)法與非穩(wěn)態(tài)法的比較穩(wěn)態(tài)法實驗：缺點：由于實驗過程太長，樣品與空氣接觸時間較長，對實驗有較大的影響，再者， 由于簡單儀器的使用，對實驗的不準(zhǔn)確度較高，還有，手動操作實驗對實驗的加熱，散 熱都不迅速，進(jìn)而對實驗數(shù)據(jù)有一定的影響。優(yōu)點：能直接觀察實驗過程及數(shù)據(jù)變化，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀測量，有一種手動感， 配有高靈敏度高分辨率的數(shù)字電壓表。非穩(wěn)態(tài)法實驗：缺點：由于實驗迅速，對實驗的偶然發(fā)生性較大，自然光對實驗也有一定的影響， 很少有手動操作，缺乏手感。優(yōu)點：實驗經(jīng)電腦處理，數(shù)據(jù)精確，計算過程簡單，省時，有專用的繪圖工具，圖 像明確，直觀，操作簡單，過程迅速，儀器先進(jìn)，誤差較小。3小結(jié)從實驗中我們了解到穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法測導(dǎo)熱系數(shù)各