四探针测试半导体的电阻率.docx

四探针法测量半导体的电阻率一、 实验目的1、了解四探针电阻率测试仪的基本原理；2、了解的四探针电阻率测试仪组成、原理和使用方法；3、能对给定的物质进行实验，并对实验结果进行分析、处理二、 实验原理1. 电阻的测量 电性能是材料的重要物理性能之一，材料导电性的测量就是测量试样的电阻或电阻率电阻的测量方法很多，若精度要求不高，常用兆欧表、万用表、欧姆表及伏安法等测量；若 精度要求比较高或阻值在10-6〜102的材料电阻（如金属或合金的阻值）测量时，需采用更 精密的测量方法常用的几种方法如下：① 双臂电桥法：根据被测量与已知量在直流桥式线路上进行比较而得出测量结果，其精 确测量电阻范围为 10-6〜10-3误差为 0.2〜0.3%缺点：受环境温度影响较大② 直流电位计测量法：一种比较法测量电动势，通过“串联电路中电压与电阻成正比” 计算得出电阻其可测量 10-7V 微小电动势优点：导线和引线电阻不影响测试结果③ 直流四探针法：主要用于半导体或超导体等低电阻率的精确测量④ 冲击检流计法：主要用于绝缘体电阻的测量，将待测电阻与电容器串联，用冲击检流 计测量电容器极板上的电量通过检流计的偏移量来计算待测电阻，可测得绝缘体电阻率高 达 1015 〜10i6Qcm。

2. 电阻率的测量电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量，某种材料制成的长 1 米、横截面积是1平方毫米的在常温下（20°C时）导线的电阻，叫做这种材料的电阻率它反映物质对 电流阻碍作用电阻率是半导体材料的重要电学参数之一，硅单晶的电阻率与半导体器件的 性能有密切联系因此电阻率的测量是半导体材料常规参数测量项目之一测量电阻率的方法很多，如二探针法、扩展电阻法等而四探针法则是目前检测半导体 电阻率的一种广泛采用的标准方法它具有设备简单、操作方便、精度较高、对样品的几何 形状无严格要求等优点3. 直流四探针法测试原理① 体电阻率测量：当 1、2、3、4 根金属探针排成直线时，并以一定的压力压在半导体材料上，在 1、4 两 处探针间通过电流I,则2、3探针间产生电位差V材料的电阻率为（门・cm） ⑴式中C为探针系数，由探针几何位置决定当试样电阻率分布均匀，试样尺寸满足半无限大条件时cm)2)||H1?七4冒1 *4專Lr图 1 四探针测量原理图为样品厚度与探针间距的修正函数，可由相关表格查得为样品形状和测量位置的修正函数式中：S]、S2、S3分别为探针1与2, 2与3, 3与4之间的间距探头系数由制造厂对探针间距进 行测定后确定，并提供给用户。

每个探头都有自己的系数，C«6・28±0・05，单位为cm当S]=S2=S3=1 mm时，C=2n若电流取I = C时，则p= V可由数字电压表直接读出a)块状和棒状样品体电阻率测量由于块状和棒状样品外形尺寸也探针间距比较，合乎与半无限大的边界条件，电阻率值 可以直接由(1)，(2)式求出b)薄片电阻率测量 薄片样品因为其厚度与探针间距比较，不能忽略，测量时要提供样品的厚度、形状和测 量位的修正系数电阻率可由下面公式得出：3)Q二2曲? G耳记〕二恥兄)2 3U S 4J S式中：必为块形体电阻率测量值W 样品厚度(pm) ； S 针间距(mm)当圆形硅片的厚度满足W/SvO.5时，电阻率为：矢备丁吩)皿珥殆0 ②扩散层的方块电阻测量：当半导体薄层尺寸满足于半无限大平面条件时：若取 I =4.53，则 R 值可由 V 表中直接读出三、仪器结构特征本实验中采用的SX1944型数字式四探针测试仪电气部分原理方框图如图2所示图2仪器分为主机和测试架两部分，其中主机部分由高灵敏度直流数字电压表（由调制式高 灵敏直流电压放大器、双积分A/D变换器、计数器、显示器组成）、恒流源、电源、DC-DC 变换器组成。

为了扩大仪器功能及方便使用，还设立了单位、小数点自动显示电路、电流调 节电路、自校电路和调零电路仪器+12V电源经过DC-DC变换器，由恒流源电路产生一个高稳定度恒定直流电流，其量 程分别为10泌、100泌、1mA、10mA、100mA五档在各档电流量程中，输出电流值均连 续可调此恒定电流输送到1、 4探针上，在样品上产生一个直流电位差，被2、 3 探针检出， 由高灵敏度、高输入阻抗的直流电压放大器中将直流电压信号放大（放大量程有0・2mV、2mV、 20mV、200mV、2V五档），再经过双积分A/D变换器将模拟量变换为数字量，经由计数器、 单位、小数点自动转换电路显示出测量结果仪器设立了“粗调”、 “细调”调零电路，以产生一个恒定的电势来抵消试中探针与半 导体材料样品接触时产生的接触电势和整流效应的影响仪器的自校电路中备有精度为0.02%、阻值为19.96Q的标准电阻，作为自校电路的基准通过自校电路可以方便地对数字电 压表和恒流源的精度进行校准测试架由探头及压力传动机构、样品台构成见图3图 3 测试架结构图四、 实验设备及试样1. 实验设备型号：SX1944数字式四探针测试仪，规格：测量范围：电阻率：10-4〜105Qcm ；方块电阻：10-3〜106Q;薄膜电阻：10-4〜105Q。

可测半导体材料的尺寸：^15〜100mm电压表参数：量程200mV,误差±0.1%，读数±2字， 最大分辨率10円；电流表参数：输出0〜100mA连续可调，误差±0.5%，读数±2字；探头参 数：探针间距1mm,探针直径90.5mm，压力0〜2kg可调2. 试样表面要求：洁净干燥五、 实验步骤1. 打开SX1944四探针测试仪主机开关，预热0・5h,室内温度及湿度使之达到测试要求2. 测量并记录试样的厚度和直径3. 打开电脑桌面软件SX1944，选取测薄圆片的电阻率4. 输入相关实验参数：试样标识、厚度、直径5. 点击“测试”，选择自动电流量程，根据弹出的对话框压下探头（轻触试样即可），调节 电流，然后点击 “ 确认 ” ，对系统进行初始化6. 点击“测试”，选择“自动测试”，根据弹出的对话框调节电流，点击“确认”，即可进 行测量显示六、 数据处理1. 多次测量去平均值，减小测量误差探针间距： 薄片边长： d/s=单晶硅（电阻率Q • cm）J、、次数 测试方法、、12345手持式ST226型测试多晶硅（电阻率Q・cm）次数测试方法、12345手持式ST226型测试2. 分析测量电阻率中误差的来源七、 注意事项1. 压下探头时,压力要适中,以免损坏探针2. 由于样品表面电阻可能分布不均,测量时应对一个样品多测几个点,然后取平均值3. 样品的实际电阻率还与其厚度有关,还需查附录中的厚度修正系数,进行修正。