新型半导体电阻温度计

　　固体温度计有三种基本类型。第一种是单晶半导体如Ge,Si和GaAS制成的电阻温度计;第二种是碳和碳玻璃电阻,如由Lake Shore Cryotronics,Matsushita和Speer生产的电阻;第三种是Pt和Rh Fe丝制成的电阻,这种电阻对于低于T=1K温度测量而言,实际上不使用,因为它们的热敏性小。第一和第二种电阻温度计可用到20mK温度测量,但在超低温的情况下,其测量受物理过程包括无序系统的传导率的限制,换句话说受电子跳动式传导率的限制。

　　众所周知,在低温的情况下,在有电子跳动的材料中,热敏性随着温度下降而变差。为了提高敏感性必须使用比阻很高的电阻,但这样做又受到临界功率pc的限制。

　　事实证明,当使用掺锰半导体铟锑(InSb∶Mn)作为温度计的制造材料时,就克服了上述困难。

　　InSb∶Mn温度计的优点在于改变了在低温及超低温下材料的导电特性,从而不受电子跳动过程极限的限制。而且在宽量程的测温领域内使用这种材料已获得了新的重大进展。本文的目的在于报导关于温度范围T=350～0.01K的InSb∶Mn电阻温度计的基本情况,并说明如何用磁场强度对它们校准。

　　1　固体温度计的低温导电性

　　如上所述,第一种和第二种温度计材料的导电性在低温和超低温下受可变的电子跳动的影响。

　　通常,这种温度计的电阻系数的温度函数关系可用下式表示,

　　参数A的变化从1/4 (莫特定律)到1/2 (库仑间隙) ^[2,3] 。

　　Speer温度计的温度与电阻关系曲线示于图1。这种关系当A=1/3时很符合方程(1)(参考文献4)。锗电阻的温度电阻关系,当A=1/2时用方程(1)表达到50mK。镓　电阻也用A=1/2表示温度关系(参考文献6)

　　与上述工业用的电阻温度计相反, InSb (铟锑)温度计的温度与电阻为纯指数关系

　　式中Δ为温度关系参数,其变化仅与改变锰浓度NMn或补偿比率K=Nd/WHN有关,式中Nd为施主浓度。磁隙直接由半导体杂质层产生,这是由于空穴和施主锰离子层之间相互交换的结果。因此,改变NMN和Nd从而获得Δ值从10-3eV至10-5eV甚至更小,这是完全可能的。

　　2　InSb温度计的材料和结构

　　将InSb∶Mn的Czochralsky拉晶切成大小为3×1×0.5 mm的切片,然后将切片放入CP 4+H ₂O (1∶1)中浸蚀。

　　文献中介绍了InSb表面获得电阻性接触的两种方法。第一种方法是T=320℃的温度下将In置于H ₂气氛中溶成合金;第二种方法是Au Zn真空沉积而后合金化。合金化之后,用0.05mm紫铜线与In熔焊成触点。InSb∶Mn传感元件用四根磷青铜导线(直线0.3mm,长15cm)在环氧树脂隔离后再装入铜罐(直径3mm,长15cm)里。Lake Shore低温电子管厂用相似技术生产GR锗电阻。