电子科学与技术专业实验课件 指导教师：熊炫.

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1 电子科学与技术专业实验课件 指导教师：熊炫

2 实 验 讲 义 实验项目: 实验8 电子材料的体电阻与表面电阻测量 实验9 NTC陶瓷热敏电阻器的阻-温特性测量
实验8 电子材料的体电阻与表面电阻测量 实验9 NTC陶瓷热敏电阻器的阻-温特性测量 实验10 介电常数及损耗与频率的关系 实验11 四探针法测电阻率 实验12 高频下接线对介电系数和损耗角 正切的影响（选做）

3 实验讲义 实验8 电子材料的体电阻 与表面电阻测量

4 实验仪器 三电极箱 高阻仪

5 实验目的 1、学会使用三电极系统测量介电材料的绝缘电阻（体电阻率与表面电阻率） 2、了解受潮对材料表面电阻的影响

6 实验原理 图1 三电极俯视实物图 图2 体电流与表面电流示意图

7 实验原理 绝缘电阻是施加于绝缘体上两个导体之间的直流电压于流过绝缘体的泄漏电流之比，即： R------绝缘电阻（Ω）
U------直流电压（V） I 泄漏电流（A）

8 实验原理 在某一绝缘试样上加一恒定电压V，则无论在该材料的体内和表面都有电流流过，这时流过材料的电流I由流过材料体内的体电流IV和流过材料表面的表面电流IS两部分组成。加在试样上的电压V与通过它的漏电流I的比值称为该材料的的绝缘电阻，以R表示。恒定电压V与体电流之比称为该试样的体电阻以RV表示，恒定电压V与表面电流之比称为该试样的表面电阻以RS表示。绝缘电阻

9 实验原理 影响绝缘电阻的诸因素 （1）温度：温度升高时体积电阻率呈指数式下降。 （2）湿度：绝缘体吸潮以后，电阻率要明显下降。
（3）电场强度：电场强度很高时，绝缘电阻下降。 （4）辐照的影响：在光照条件下，绝缘电阻率明显下降。

10 实验内容 1、测量环氧树脂板（干、湿各三块）的体电阻及表面电阻。 2.测量2mm厚云母片。

11 实验步骤 接好电源线和测试线 确保电源为220V/50Hz，将测试线（红线为高压线接红线柱，屏蔽线接电流输入端）与测试器件连接好，根据不同的测量可使用不同得电极；连接测试样品时要关电源，以防测试电压电人。 量程置于104档 选择合适的测量电压 接通电源 调零 在Rx开路的情况下，调零是电流表的显示为0000，注意：在“Rx”两端不开路，如接在电阻箱或被测物体上时调零后测量会产生很大的误差。一般一次调零后测试过程中不需要再调零。

12 实验步骤 图3 测量体电阻Rv和表面电阻Rs的接线示意图 （1）将被测试样品置于三电极箱中，并按下图接线
（2）测量体电阻是，三电极箱如图2-3（a）接线，高阻及高压输出（红）接圆盘电极，高阻计电流输入端（芯线）接圆柱电极，高阻计地（黑，屏蔽线）接圆环电极。盖上屏蔽盒，将屏蔽盒前面板上的Rv与Rs开关拨向RV 图3 测量体电阻Rv和表面电阻Rs的接线示意图

13 实验步骤 （3）将测试电压选择开关置于所需要的测试电压档（本次实验不超过100V）
（4）测量时从低档位逐渐拨向高档位，每拨一次稍停留1~2秒钟，以便观察所显示的数字。当被测电阻大于仪器量程时，电阻表显示“1”，此时应继续将仪器拨到量程更高的位置。当测量仪器有显示时应停下，当前的数字表读数乘以量程档次即为被测电阻值 （5）测试完毕将量程开关拨至“104”档后关闭电源。 （6）测量表面电阻时，三电极按图1（b）接线，高阻计高压输入（红）接圆环电极，高阻计电流输入端（芯线）接圆柱电极，高阻计地（黑,屏蔽线）接圆盘电极。盖上屏蔽盒，将屏蔽盒前面板上的Rv与RS开关拨向RV。重复步骤（4）～（5）。 (7) 测量试样的总电阻。将RV、RS开关拨向RV处，只用上、下电极而不用保护电极（圆环电极）。这样就成为二电极系统，其他操作与测RV相同。

14 实验注意事项 图4 高阻计测量注意事项

15 数据记录 样品名称 厚度 Rv（V） RS（V） Iv（A） IS（A） 云母片 2mm 干1 3.6mm 干2 5mm 干3 3mm 湿1
湿2 湿3

16 计算公式 将每一试样所测得的RV、RS按下述公式计算出ρv、 ρS
其中：t：试样厚度（cm）；D1：圆柱电极直径5.0（cm）；D2：圆环电极内径5.4（cm）,2dm=D1+D2。

17 数据处理 样品名称 Rv Rs ρv ρs σv σs R计

18 实验及实验报告要求 1、参加实验前均需撰写预习报告（预习报告应包含实验报告中与数据处理无关的所有内容）。 图5 实验报告要求

19 实验及实验报告要求 2、实验过程中应遵守实验室的各项规定，遇到问题请告知指导教师。 3、实验完毕，经指导教师检查数据，签字后方能离开实验室。
4、实验报告请按照实验报告要求完成，并按时提交实验报告。

20 实验9 NTC陶瓷热敏电阻器的 阻-温特性测量
实验讲义 实验9 NTC陶瓷热敏电阻器的 阻-温特性测量

21 实验仪器 温控仪 温控仪 恒温水箱 恒温水箱

22 负温度系数电阻 负温度系数(Negative Temperature Coefficient)
NTC大都是用锰、钴、镍、铁等过渡金属氧化物按一定配比混合，采用陶瓷工艺制备而成，温度系数通常在－1％～－6％。

23 实验目的 1、掌握分压法、电桥法和恒流源法测量NTC电阻的阻温特性。 2、了解温控表的比例积分微分控制。
3、利用非线性函数关系的评定做出本实验的最佳曲线。

24 实验原理 一般半导体材料的阻-温特性可以近似地用下式表达：
对于负温度系数NTC电阻元件可以通过测量温度T=T1时测量的阻值R1，及T=T2时测量的阻值R2，计算A、B的值。

25 实验原理 具体计算过程如下： ， 得出： ， 式中：l为元件长度，s为元件截面积

26 电桥法 图 电桥法测NTC阻温特性电路图 图中Rt、R2、R3、R4四个电阻连接成封闭环形，其连接点a、b、c、d称作电桥的顶点，电阻Rt、R2、R3、R4的支路称作桥臂。在电桥的对角线cd上连接检流计G，在另一对角线ab上连接直流电源E。因此ab又可称为电源对角线，cd又可称为测量对角线。Rt为被测样品电阻，R2、R3、R4为标准电阻，K1为电源支路开关，K2为检流计支路开关。当K1、K2均闭合时，改变标准电阻R2、R3、R4的大小，使得检流计支路的电流I0=0，这时，读取标准电阻R2、R3、R4的值，利用公式 就可得到未知电阻的值。在测量时，样品Rt应置于温度可以控制的恒温器内。当Rt随着温度的变化而变化时，调节R2或者改变R3、R4的比例就可以测出不同温度下的Rt。但是由于NTC热敏电阻的阻值随温度的变化很大，约为几个数量级以上，一般的电桥不易满足测量的要求。

27 分压法 图 分压法测NTC阻温特性电路图 在图7中，Rt为被测样品，RN为标准可调电阻，E为直流稳压电源，V1和V2为数字式直流电压表，Rt可由下式给出原则上，测量时调节RN，使V1为常数，就可测出Rt。由于Rt随温度的升高而减小，加在Rt上的电压也随之不断减小。如果一开始给定的电源电压V2就满足零功率的要求，以后就不会出现超过零功率的情况。 在测量时，如果取V2/V1=11，则有Rt=10RN。Rt的值可通过标准电阻RN直接读出。此时，应该调节RN使指示电压表V1的读数为常数，而V2是电源电压保持不变，于是读取RN的大小舅可知道Rt的值。这种方法的精度很高。

28 恒流源法 图8 恒流源法测NTC阻温特性电路图
图8中，回路中电流由恒流源提供保持不变，数显电流表显示回路中电流值；NTC电阻两端电压随温度的变化通过数显电压表显示。电压值与回路中电流的比值，即为该温度下NTC电阻的阻值。

29 实验内容 1、测量NTC电阻的阻温特性。 2、计算电阻的材料常数B（计算每两个温度之间的B值）。
3、绘出R-T曲线及LnR-1/T共两条曲线。

30 实验步骤 （1）检查所有开关是否置于正确位置；加热开关和仪器总电源关断；加热开关和搅拌开关关断，调节电流为100uA，电压测试档为2V。
（2）打开仪器加热开关和搅拌开关，如果没有加热显示，则应该立即关断开关，报告指导老师。 （3）如果各表头读数均正常，就开始设置温控表：短暂点击Set键，调节预置温度到20°C（如果室温超过20°C则调到30°C，视实际情况而定）。按上箭头可向上调节，按下箭头可向下调节。按左箭头选择光标位置可以调节十位数字或百位数字。 （4）设置温度在室温以上，并每隔5°C取样一次，记下所有样品的电压电流和当前温度值，一直到90°C。所有数据记录完毕后，关断加热器开关和搅拌开关。

31 数据记录及处理 温度℃ 电压mV 电流 mA 电阻kΩ 。

32 实验测试结果曲线 图9 实验测试结果R-T曲线

33 思考题 1、题目：结合电子科学与技术专业知识，提出一可行的敏感材料测试实验，并简述实施方案。
2、题目：分析NTC陶瓷热敏电阻器阻温特性实验的不足，并说明原因。 自由发挥作为总结的一部分。

34 实验讲义 实验 介电常数及损耗与频率的关系

35 实验目的 1、了解Q表工作原理 2、掌握电阻、电容和电感的串并联计算 3、学会用Q表对介质材料的介电系数及损耗进行测量（频率特性）

36 实验原理 Q表简介及其工作原理 Q表是利用谐振效应来测量电路参数的多用途测量仪器。它能测量电感或谐振回路的Q值、电感器的电感量及其分布电容量、电容器的电容量和损耗角、电工材料的高频介质损耗、高频回路的有效并联及串联电阻、传铜线的特征阻抗等。

37 实验原理 用谐振法来测量试品的电容Cp是根据谐振回路的谐振条件来求得的。测量时要调谐两次，先是不接试样，谐振条件为:
试品的电容Cp可从接和不接试品两次谐振时，调谐电容C的变化量ΔC来求得。

38 图10 Q表原理图

39 如图4-1所示串联谐振电路中，所加的信号电压为Vi，频率为f，在发生谐振时
或 回路中电流 故电容两端电压 若Vi为某一固定已知数值，则只需测出VC就能求出回路的Q值：

40 实验步骤 实验前准备 Q表水平放置，校准Q值显示的电表的机械零点。如果需要精确测量，在接通电源后，预热30分钟后再进行测试。

41 操作指南 2、设定频率 3、调谐振 1、打开电源开关

42 实验步骤 ①选一个适当的谐振电感接到仪器上方的接线柱“LX”的两端；
②利用仪器左上角偏下的频率增减按钮和仪器中部偏左下方的频率调谐数码开关（细调）调节信号源的频率（本实验频率与谐振电感一一对应） ③将仪器右上角左边的微调电容旋钮调至零，右边的主调电容器旋钮调到最大值附近。调节主调电容器旋钮，缓慢减小电容值，使测试回路谐振（此时仪器中部的Q值调谐指示指针读数最大），令此时的电容值为C1（读数见主调谐旋钮上方的C、L指示表），令谐振器Q的读数为Q1（读数见仪器中上方的Q值数码管）；如果被测电容是小数值的，C1应该调到较小电容值附近，以便达到尽可能高的分辨率； ④将被测电容器接在仪器顶端的接线柱“CX”两端，调节主调电容器旋钮，使测试回路再次谐振。令新的调谐电容值为C2和指示Q值为Q2。

43 数据记录及处理 线圈号码 频率 Q1 C1 Q2 C2 CX tgδ ε 备注 NO2 9MH NO3 6MH NO6 3MH NO9
900KH NO10 600KH NO12 300KH NO14 150KH

44 数据记录及处理 计算公式： 1、被测电容器的电容值： 2、圆形介质的介电系数： 其中h为电极厚度，D为电极直径 3、损耗角正切：

45 考试重点 1、Q表原理及组成。 2、电阻、电容和电感的串并联计算 3、分析测量中的接线误差及消除

46 实验讲义 实验11 四探针法测电阻率

47 实验目的 学习用四探针法测量半导体材料的体电阻率和扩散薄层的电阻率及方块电阻。

48 实验仪器 图11 直线四探针测试仪 图12 方形四探针测试仪

49 实验原理 图13 四探针法测电阻率装置原理图 图14 直线排列、方形排列四探针

50 实验原理 四根金属探针呈方形排列，相互之间保持一定的距离r，探针同时与被测半导体的某一平坦表面接触。恒流源通过其中1、4两根探针向半导体样品输入稳定电流I，在样品中产生一稳定电场，然后测量2、3两根探针之间的电位差U。电场理论对各种样品形状提供I、U与样品材料电阻率ρ之间的函数关系，可以根据所测的I、U值计算出电阻率ρ的值

51 对于半无限大样品： 实验原理 电流I在样品内部形成球面等位面，半径为r、间距为dr的两半球等位面的电位差为
r→∞处电位为零，探针1的电流 I 在 r 点的电位为 探针1的电流 I 在2、3两点间的电位差为

52 实验原理 探针4的电流 －I 在2、3间的电位差 探针1、4的电流在2、3探针间的电位差为 半无限大样品电阻率普遍式 方形四探针
直线形四探针

53 实验原理 对于无限薄层样品 电流I在样品体内形成近似为圆柱面的等位面 探针1电流 I 在样品中 r 处的电位
探针1、4的电流在2、3探针间的电位差 无限薄层样品电阻率普遍公式 对于方形四探针 对于直线形四探针

54 实验原理 实际尺寸是有限的单面扩散片或双面扩散片，常定义 其中C是与样品几何形状、大小、探针类型有关的修正因子（参阅教材表1.1～表1.7)

55 方型四探针实验步骤

56 方型四探针数据记录

57 直线型四探针测试步骤及要点参见RTS-8型四探针测试仪用户手册。
选择样品的测试种类 测量样品直径（无规则样品以最远两点距离为直径，规则样品以长边为直径） 测量样品厚度 根据测试电流量程选择表 选择电流量程（电流值）： 根据电流值得到 正向电阻及电阻率： 反向电阻及电阻率:

58 直线型四探针数据记录 直径 厚度 电流修正值 电流量程 正向方阻 反向方阻 正向电阻率 反向电阻率

59 实验设计 1、设计磁性材料居里温度测试实验（2个班） 2、设计磁性材料磁致伸缩系数测试实验（2个班） 3、设计介质材料测试综合实验（2个班）
4、数学建模四探针测试实验（1个班） 5、设计绝缘电阻测量小表面积样品三电极夹具（2个班）

60 本教师实验平时成绩分布： 1、实验报告（70分） 2、实验表现（10分） 3、实验设计（20分）