试验2四探针法测量半导体电阻率和薄层电阻
四探针测试电阻率实验指导
可以看到，探针 2 处的电势 V2 是处于探针点电流源+I 和处于探针 4 处的点
电流源-I 贡献之和，因此： I 1 1 V2 ( ) ………………… (3) 2 s 2s 同理，探针 3 处的电势 V3 为
V3 I 1 1 ( ) …………………… (4) 2 2s s
图 1 测量方阻的四探针法原理
对半无穷大均匀电阻率的样品， 若样品的电阻率为 ， 点电流源的电流为 I， 则当电流由探针流入样品时，在 r 处形成的电势 V( r ) 为
V( r ) I ………………………(1) 2 r
同理，当电流由探针流出样品时，在 r 处形成的电势 V( r ) 为
R 单位为 / 。可见， R 阻值大小与正方形的边长无关，故取名为方块电
阻，仅仅与薄膜的厚度有关。用等距直线排列的四探针法，测量薄层厚度 d 远小 于探针间距 s 的无穷大薄层样品，得到的电阻称之为薄层电阻。
图 2 薄层电阻示意图 在用四探针法测量半导体的电阻率时， 要求探头边缘到材料边缘的距离远远 大于探针间距，一般要求 10 倍以上；要在无振动的条件下进行，要根据被测对 象给予探针一定的压力， 否则探针振动会引起接触电阻变化。光电导和光电压效 应严重影响电阻率测量， 因此要在无强光直射的条件下进行测量。半导体有明显 的电阻率温度系数， 过大的电流会导致电阻加热，所以测量要尽可能在小电流条 件下进行。 高频讯号会引入寄生电流，所以测量设备要远离高频讯号发生器或者 有足够的屏蔽，实现无高频干扰。
实验名称：四探针法测量半导体的电阻率和方块电阻
一、 实验目的:
1．掌握四探针法测量半导体材料电阻率和方块电阻的基本原理。 2．掌握半导体电阻率和方块电阻的测量方法。 3. 掌握半导体电阻率和方块电阻的换算。 4．了解和控制各种影响测量结果的不利因素。
四探针测试半导体的电阻率
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10-6～102Ω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10-6～10-3Ω，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1015～1016Ω·cm。
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℃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。
四探针法测量电阻率
一、引言 电阻率是反映半导体材料导电性能的重要参数之一.虽然测量电阻率的方法很多, 但由于四探针法设备简单、操作方便、精确度高、测量范围广，而且对样品形状无严 格要求，不仅能测量大块材料的电阻率，也能测量异形层、扩散层、离子注入层及外 延层的电阻率，因此在科学研究及实际生产中得到广泛利用。 本实验是用四探针法测量硅单晶材料的电阻率及 pn 结扩散层的方块电阻。通过 实验，掌握四探针法测量电阻率的基本原理和方法以及对具有各种几何形状样品的修 正，并了解影响测量结果的各种因素。 二、原理 1、 四探针法测量单晶材料的电阻率 最常用的四探针法是将四根金属探针的针尖排在同一直线上的直线型四探针法，如 图 2.1 所示。当四根探针同时压在一块相对于探针间距可视为半无穷大的半导体平坦表 面上时，如果探针接触处的材料是均匀的，并可忽略电流在探针处的少子注入，则当电 流 I 由探针流入样品时，可视为点电流源，在半无穷大的均匀样品中所产生的电力线具 有球面对称性，即等势面为一系列以点电流源为中心的半球面。样品中距离点电源 r 处 的电流密度 j，电场ε和电位 V 分别为
0
式中 q 为电子电荷，u 为扩散层中多数载流子的迁移率。因此，可引入扩散层平均电阻 率 ，可以证明，
R X j C 0
三、实验装置
V23 X j ............(15) I
实验装置主要由三部分组成：四探针头、电流调节装置、电压测试仪。 1、 四探针头 四根探针头要等距离地排列在一直线上，探针间距要固定（通常约为 1mm 左右） ， 游移度要小。探针头地曲率半径约为 50um 左右，探针之间的电绝缘性能要好。为了 使探针和样品形成较好的欧姆接触，要求探针与待测材料有较低的接触电势差，而且 探针和样品之间要加一定的压力（每根探针压力为 100－200g） 。因此，探针要用导电 性能好的硬质、耐磨金属制成，通常采用钨、碳化钨、锇铱合金、合金钢等。 2、 电流调节装置 四探针法的测试电路如图 2.2 所示。
半导体物理-四探针方法测电阻率
5、将工作选择档置于“调节”，电流调节在I ＝6.28=C，C为探针几何修正系数。
1.显示板 2、单位显示灯 3、电流量程开关 4、工作选择开关 （短路、测量、调节、自校选择）5、电压量程开关6、输入插 座7、调零细调8、调零粗调9、电流调节10、电源开关11、电 流选择开关 12、极性开关
２．四探针测试探头：探针间距：１mm；游 移率：±1.0%；探针：碳化钨 Φ0.5mm 压力：0~2kg可调。
（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与探针间距 比较，合乎于半无限大的边界条件，电阻 率值可以直接由（１）、（２）式求出。
（b）簿片电阻率测量 簿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 状和测量位置的修正系数。
电阻率值可由下面公式得出：
C
V I
G(W S
)D( d S
)
0G(WS
)D( d S
)
式中：ρ0 为块状体电阻率测量值；
W：为样品厚度（um）；S：探针间距（mm）；
G(W/S)为样品厚度修正函数，可由附录IA位置的修正函数，可由附
录２查得。W/S＜0.5时，实用。
当圆形硅片的厚度满足W/S＜0.5时，电阻率为：
0
W S
1 2 ln 2
D(d ) S
2、带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时：
R0
(V
ln 2 I
)
4.53V I
若取I ＝ 4.53 I0，I0为该电流量程满度值， 则R0值可由数字表中直接读出的数乘上10 后得到。
<三> 仪器结构特征
四探针法测电阻率共14页
实验四探针法测电阻率1．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。
2．实验内容①硅单晶片电阻率的测量：选不同电阻率及不同厚度的大单晶圆片，改变条件（光照与否），对测量结果进行比较。
②薄层电阻率的测量：对不同尺寸的单面扩散片和双面扩散片的薄层电阻率进行测量。
改变条件进行测量（与①相同），对结果进行比较。
3．实验原理：在半导体器件的研制和生产过程中常常要对半导体单晶材料的原始电阻率和经过扩散、外延等工艺处理后的薄层电阻进行测量。
测量电阻率的方法很多，有两探针法，四探针法，单探针扩展电阻法，范德堡法等，我们这里介绍的是四探针法。
因为这种方法简便可行，适于批量生产，所以目前得到了广泛应用。
所谓四探针法，就是用针间距约1毫米的四根金属探针同时压在被测样品的平整表面上如图1a所示。
利用恒流源给1、4两个探针通以小电流，然后在2、3两个探针上用高输入阻抗的静电计、电位差计、电子毫伏计或数字电压表测量电压，最后根据理论公式计算出样品的电阻率［１］式中，C为四探针的修正系数，单位为厘米，C的大小取决于四探针的排列方法和针距，探针的位置和间距确定以后，探针系数C 就是一个常数；V 23为2、3两探针之间的电压，单位为伏特；I 为通过样品的电流，单位为安培。
半导体材料的体电阻率和薄层电阻率的测量结果往往与式样的形状和尺寸密切相关，下面我们分两种情况来进行讨论。
⑴ 半无限大样品情形图1给出了四探针法测半无穷大样品电阻率的原理图，图中(a)为四探针测量电阻率的装置；(b)为半无穷大样品上探针电流的分布及等势面图形；(c)和(d)分别为正方形排列及直线排列的四探针图形。
因为四探针对半导体表面的接触均为点接触，所以，对图１（b ）所示的半无穷大样品，电流I 是以探针尖为圆心呈径向放射状流入体内的。
因而电流在体内所形成的等位面为图中虚线所示的半球面。
于是，样品电阻率为ρ，半径为r ，间距为dr 的两个半球等位面间的电阻为 它们之间的电位差为 dr r IIdR dV 22πρ==。
四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻
在半无穷大样品上的点电流源， 若样品的电阻率ρ均匀， 引入点电流源的探针其电流
强度为 I，则所产生的电力线具有球面的对称性， 即等位面为一系列以点电流为中心的半
球面，如图 2-1 所示。在以ｒ为半径的半球面上，电流密度ｊ的分布是均匀的：
j= I 2πr 2
（2-1）
若 E 为ｒ处的电场强度， 则
E = jρ = Iρ 2πr2
2
r12
1 r13
3
r34
4
r24
ss s
12
3
4
图 2-2 任意位置的四探针
图 2-3 直线型四探针
ρ = V23 2πS I
（2-9）
2-9 式就是常见的直流四探针 (等间距) 测量电阻率的公式， 也是本实验要用的测量公式之 一。需要指出的是： 这一公式是在半无限大样品的基础上导出的，实用中必需满足样品厚度 及边缘与探针之间的最近距离大于四倍探针间距， 这样才能使该式具有足够的精确度。
包围。同样需要注意的是当片状样品不满足极薄样品的条件时，仍需按式(2.10)计算电阻
率P。其修正系数Bo列在表 2.3 中。
2. 扩散层的薄层电阻
半导体工艺中普遍采用四探针法测量扩散层的薄层电阻，由于反向 pn 结的隔离作
用，扩散层下的衬底可视为绝缘层，对于扩散层厚度(即结深 Xj)远小于探针间距 S，而横
向尺寸无限大的样品，则薄层电阻率为：
s d
d 2d
ρ = 2π s × V
B0
I
s d
B0
s d
0.1
1.0009
0.6
B0
s d
1.1512
1.2
B0 1.7329
0.2
四探针测试仪测量薄膜的电阻率(发)
四探针法测量原理图 四探针测试仪测量薄膜的电阻率〈一〉 实验目的1、理解四探针方法测量半导体电阻率的原理；2、学会用四探针方法测量半导体电阻率。
〈二〉实验原理本实验采用SDY-5型双电测四探针测试仪。
该仪器采用了四探针双位组合测量新技术，将范德堡测量方法推广应用到直线四探针上，利用电流探针、电压探针的变换，进行两次电测量，能自动消除样品几何尺寸、边界效应以及探针不等距和机械游移等因素对测量结果的影响。
因而每次测量不必知道探针间距、样品尺寸及探针在样品表面上的位置。
由于每次测量都是对几何因素的影响进行动态的自动修正，因此显著降低了几何因素影响，从而提高了测量结果的准确度。
所有这些，用目前大量使用的常规四探针测量方法所生产的仪器是无法实现的。
使用本仪器进行测量时，由于不需要进行几何边界条件和探针间距的修正，因而对各种形状的薄膜材料及片状材料有广泛的适用性。
仪器特别适用于测量片状半导体材料电阻率以及硅扩散层、离子注入层、异型外延层等半导体器件和液晶片导电膜、电热膜等薄层(膜)的方块电阻。
仪器以大规模集成电路为核心部件,特别采用了平面轻触式开关设计和各种工作状态LED 指示，并应用了微计算机技术,利用HQ-710F 型微计算机作为专用测量控制及数据处理器,使得测量、计算、读数更加直观、快速，并能打印全部预置和测量数据。
1、体电阻率测量：当１、２、３、４四根金属探针排成一直线时，并以一定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 。
材料电阻率: (1) 探针系数 : (2) C IV =ρ12122320π1111C S S S S S S =+--++式中：S 1、S 2、S 3分别为探针１与２，２与３，３与４之间距，用mm 为单位时的值，S 1=S 2=S 3=1mm ， 每个探头都有自己的系数。
一般C ≈62.8±0. 5 mm=6.28±0. 05cm 。
四探针法测电阻率实验原理
实验 四探针法测电阻率1．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。
2．实验内容① 硅单晶片电阻率的测量：选不同电阻率及不同厚度的大单晶圆片，改变条件（光照与否），对测量结果进行比较。
② 薄层电阻率的测量：对不同尺寸的单面扩散片和双面扩散片的薄层电阻率进行测量。
改变条件进行测量（与①相同），对结果进行比较。
3． 实验原理：在半导体器件的研制和生产过程中常常要对半导体单晶材料的原始电阻率和经过扩散、外延等工艺处理后的薄层电阻进行测量。
测量电阻率的方法很多，有两探针法，四探针法，单探针扩展电阻法，范德堡法等，我们这里介绍的是四探针法。
因为这种方法简便可行，适于批量生产，所以目前得到了广泛应用。
所谓四探针法，就是用针间距约1毫米的四根金属探针同时压在被测样品的平整表面上如图1a 所示。
利用恒流源给1、4两个探针通以小电流，然后在2、3两个探针上用高输入阻抗的静电计、电位差计、电子毫伏计或数字电压表测量电压，最后根据理论公式计算出样品的电阻率［１］IV C23=ρ 式中，C 为四探针的修正系数，单位为厘米，C 的大小取决于四探针的排列方法和针距，探针的位置和间距确定以后，探针系数C 就是一个常数；V 23为2、3两探针之间的电压，单位为伏特；I 为通过样品的电流，单位为安培。
半导体材料的体电阻率和薄层电阻率的测量结果往往与式样的形状和尺寸密切相关，下面我们分两种情况来进行讨论。
⑴ 半无限大样品情形图1给出了四探针法测半无穷大样品电阻率的原理图，图中(a)为四探针测量电阻率的装置；(b)为半无穷大样品上探针电流的分布及等势面图形；(c)和(d)分别为正方形排列及直线排列的四探针图形。
因为四探针对半导体表面的接触均为点接触，所以，对图１（b ）所示的半无穷大样品，电流I 是以探针尖为圆心呈径向放射状流入体内的。
因而电流在体内所形成的等位面为图中虚线所示的半球面。
于是，样品电阻率为ρ，半径为r ，间距为dr 的两个半球等位面间的电阻为dr r dR 22πρ=， 它们之间的电位差为 dr r IIdR dV 22πρ==。
四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻复习过程
四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻【实验目的】1、掌握四探针测量半导体材料电阻率和薄层电阻的测量原理及方法；2、针对不同几何形状的样品，掌握其修正方法；3、测试给定的三块不同规格样品数据，使用EXCE软件对样品的数据进行计算和处理，如电阻率、方块电阻、标准差、不均匀度，画出电阻率波动图【实验原理】1.半导体材料的电阻率在半无穷大样品上的点电流源，若样品的电阻率p均匀，引入点电流源的探针其电流强度为I，则所产生的电力线具有球面的对称性，即等位面为一系列以点电流为中心的半球面，如图1所示。
在以r为半径的半球面上，电流密度j的分布是均匀的：图1半无穷大样品点电流源的半球等位面若E为:r处的电场强度，则(2)由电场强度和电位梯度以及球面对称关系,(1)E_如dr(3)d 屮=-Edr =⑷取r为无穷远处的电位为零，则⑹上式就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离为『的点的电位与探针流过的电流和样品电阻率的关系式，它代表了一个点电流源对距离『处点的电势的贡献。
对于图2所示的情形，四根探针位于样品中央，电流从探针1流入，从探针4流出，则可将1和4探针认为是点电流源，由式可知，2和3探针的电位为Ip 八¥1=亍( ---------- )j "341、3探针的电位差为:由此可得出样品的电阻率为:(8) （8）式就是利用直流四探针法测量电阻率的普遍公式。
我们只需测出流过1 4探针的电流I以及2 3探针间的电位差V2 3，代入四根探针的间距，就可以求出该样品的电阻率p。
实际测量中，最常用的是直线型四探针，即四根探针的针尖位于同一直线上，并且间距相等，如图3所示。
设r i2 =「23 =「34 = S, 则有:(9)（9）式就是常见的直流四探针（等间距）测量电阻率的公式，也是本实验要用的测量公式之一。
需要指出的是：这一公式是在半无限大样品的基础上导出的，实用中必需满足样品厚度及边缘与探针之间的最近距离大于四倍探针间距，这样才能使该式具有足够的精确度。
四探针方法测电阻率
<三> 仪器结构特征
• 数字式四探针测试仪主体部分由高灵敏 度直流数字电压表、恒流源、电源、DCDC电源变换器组成。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、自校电路和调 零电路。
• 仪器电源经过DC-DC变换器，由恒流源电路 产生一个高稳定恒定直流电流，其量程为 10μA、100μA、1mA、10mA、100mA，数值 连续可调，输送到１、４探针上，在样品上 产生一个电位差，此直流电压信号由２、３ 探针输送到电气箱内。具有高灵敏度、高输 入阻抗的直流放大器中将直流信号放大（放 大量程有0.2mV、2mV、20mV 、200mV、 2V），再经过双积分A/D变换将模拟量变换 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。
10μA
20Ω 200Ω 2kΩ 20kΩ 200kΩ
6、工作状态选择开关置于“测量”，按下电流 开关输出恒定电流，即可由数字显示板和单 位显示灯直接读出测量值。再将极性开关拨 至下方（负极性），按下电流开，读出测量 值，将两次测量值取平均，即为样品在该处 的电阻率值。关如果“±”极性发出闪烁信号， 则测量数值已超过此电压量程，应将电压量 程开关拨到更高档，读数后退出电流开关， 数字显示恢复到零位。每次更换电压、电流 量程均要重复35步骤。
<五> 注意事项
1、电流量程开关与电压量程开关必须放在 下表所列的任一组对应的量程
电压 量程
2V 200mV 20mV 2mV 0.2mV
电流 100mA 10mA 1mA 100μA 10μA 量程
2、 电阻（V/I）测量，用四端测量夹换下回探 针测试架，按下图接好样品，选择合适的电压 电流量程，电流值调到10.00数值，读出数值为 实际测量的电阻值。
材料电阻率的测量(四探针法)
材料电阻率的测量（四探针法）一：实验目的1：熟悉四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法。
2：了解影响电阻率测量的各种因素及改进措施。
二：实验仪器1:实验仪器：RTS-5 型双电测四探针测试仪RTS-5 型双电测四探针测试仪测量原理通过采用四探针双位组合测量技术，将范德堡测量方法推广应用到直线四探针上。
利用电流探针和电压探针的组合变换，进行两次电测量，其最后计算结果能自动消除由样品几何尺寸、边界效应以及探针不等距和机械游移等因素所引起的，对测量结果的不利影响。
因而在测试过程中，在满足基本条件下可以不考虑探针间距、样品尺寸及探针在样品表面上的位置等因素。
这种动态地对以上不利因素的自动修正，显著降低了其对测试结果的影响，从而提高了测量结果的准确度。
其优点是目前广泛使用的常规四探针测量方法根本办不到的。
2:技术指标A:测量范围电阻率：0.001～200Ω.cm(可扩展)；方块电阻：0.01～2000/□(可扩展)；电导率：0.005～1000s/cm；适合样品厚度：≤3.00mm；可测晶片直径：140mmX150mm (配 S-2A 型测试台)；200mmX200mm (配 S-2B 型测试台)；400mmX500mm (配 S-2C 型测试台)；B:恒流源电流量程分为 0.1mA、1mA、10mA、100mA 四档，各档电流连续可调；C:数字电压表量程及表示形式：000.00～199.99mV；分辨力：10μV；输入阻抗：＞1000MΩ；精度：±0.1%；显示：四位半红色发光管数字显示；极性、超量程自动显示；D:四探针探头基本指标间距：1±0.01mm；针间绝缘电阻: ≥1000MΩ；机械游移率: ≤0.3％；探针：碳化钨或高速钢材质，探针直径Ф0.5mm；探针压力：5～16 牛顿(总力)；E:四探针探头应用参数见探头附带的合格证，合格证含三参数项：C：探针系数； F：探针间距修正因子； S：探针平均间距；F: 模拟电阻测量相对误差（按 JJG508- - 87 进行）0.1Ω、1Ω、10Ω、100Ω≤0.3％±１字；G:整机测量最大相对误差（用硅标样片:0.01-180Ω.cm测试）≤±4%；H:整机测量标准不确定度≤4％；I:外型尺寸（大约）电气主机：370mm×320mm×100mm；S-2A 型测试台：190mm×140mm×260mm；S-2B 型测试台：300mm×210mm×400mm；S-2C 型测试台：500mm×400mm×350mm；J:仪器重量（大约）电气主机：3.5kg；S-2A 型测试台：2kg；S-2B 型测试台：2.5kg；S-2C 型测试台：4kg；；K:标准使用环境温度:：23±2℃；相对湿度：≤65％；无高频干扰；无强光直射；三:实验原理1：电阻率的测量是半导体材料常规参数测量项目之一2:四探针法是一种广泛采用的标准方法，在半导体工艺中最为常用，其主要优先在于设备简单，操作方便，准确度高，对样品的几何尺寸无严格要求。
《半导体物理》实验指导书(2022年版)
《半导体物理》实验指导书（2022年版）半导体物理实验指导书信息工程学院电子科学与技术教研室2022目录实验一：霍尔效应1实验二：四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻6实验三：椭偏法测薄膜厚度和折射率9附录A:《RTS-8型双电测四探针测试仪用户手册》11附录B:《WJZ/WJZ-Ⅱ型多功能激光椭圆偏振仪使用手册》30I实验一霍尔效应一、实验目的1.了解霍尔器材对材料要求的知识；2.学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的VH~IS曲线；3.学会确定试样的导电类型，载流子浓度以及电导率。
二、仪器设备QS-H型霍尔效应实验组合仪三、实验原理1.导体材料霍尔系数的确定由霍尔电压VH与磁感应强度B的关系，VHB和d，可计算出霍尔系数RHISB知，只要测出VH以及知道IS、dRHVHd（1）ISB2.导体材料导电类型的确定若实验中能测出IS、B的方向，就可判断VH的正负，决定霍尔系数的正负，从而判断出半导体的导电类型。
当RH0时，样品属N型（载流子为电子），反之则为P型（载流子为空穴）。
3.导体材料载流子浓度的确定由霍尔系数RH如果知道VH、IS、B，就可确定该材料的载流子浓度。
根据电导率与载流子浓度n以及迁移率之间的关系ne知，通过实验测出值即可求出1VHd，可得neISBIBnS（2）VHdeRH（3）4.霍尔组件对材料的要求根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率高、电阻率亦较高）的材料。
因RH，就金属导体而言，和均很低，而不良导体虽高，但极小，因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔组件。
半导体高，适中，是制造霍尔元件较理想的材料，由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以霍尔元件都采用N型材料，其次霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔组件的输出电压较片状要高得多。
5.实验中的副效应及其消除方法在产生霍尔效应的同时，还存在一些与温度、电极与半导体接触处的接触电阻有关的效应，这些效应也会在霍尔元件的上下侧面产生电位差。
四探针法测量电阻率和薄层电阻
RS C0
式中 C 0 为修正系数。
V23 I
（16）
四、实验装置
本实验使用 SDY-4D 型四探针测试仪，见图 6。仪器由主机（电气测量装置）和 DJ-2 型电动测试台组成，两部分独立放置，通过连接线连接，其主要技术参数如下： （1）测量范围：电阻率为 0.010～180 cm ；方块电阻为 0.10～2900Ω /□. （2）可测样品尺寸： 6mm～150mm . （3）可测样品厚度： 0.1mm～20mm . （4）测量误差：≤±5％. （5）探针间距： 1.0mm .
(
ln2
)d
V23 V 4.5324d 23 I I
（13）
（13）式说明：对于极薄样品，在等间距探针情况下，测量结果与探针间距无关，电 阻率与被测样品的厚度 d 成正比。
图4
薄层电阻的测试图
图 5 方块电阻定义示意图
实际工作中，仪器直接测试出薄层电阻（ RS ），又称方块电阻（ R ），其定义就 是表面为正方形的半导体薄层，在电流方向所呈现的电阻，见图 5。
（5）
（6）
V23 V2 V3
所以，样品的电阻率为：
I 1 1 1 1 ( ) 2 r12 r24 r13 r34
（7）
2 V23 1 1 1 1 ( ) 1 I r12 r24 r13 r34
（8）
上式就是利用直流四探针法测量电阻率的普遍公式。 我们只需测出流过1、4 探
图6
SDY-4D 型四探针测试仪
仪器电气原理如图 7 所示。
图7
SDY-4D 型四探针测试仪电气原理框图
图 8 四探针法测量原理图
仪器测量原理如图 8 所示。将排成一条直线且等间距的四根探针以一定的压力垂 直地压在被测样品的表面上，在 1、4 探针间通以电流 I (mA) ，2、3 探针间就会产生 一定的电压 V (mV ) 。测量此电压，并根据测量方式和样品的尺寸不同，可分别按以下 公式计算样品的电阻率或方块电阻： （1）薄圆片（厚度≤4mm）电阻率 ( cm) ：
实验二半导体电阻率和方阻测量的研究报告
实验二半导体电阻率和方阻测量的研究一、实验意义电阻率是半导体材料的重要电学参数之一, 可以反映出半导体内浅能级替位杂质浓度，薄层电阻是表征半导体掺杂浓度的一个重要工艺参数。
测量电阻率与薄层电阻的方法很多，如二探针法、扩展电阻法等。
而四探针法是目前广泛采用的标准方法，它具有操作方便，精度较高，对样品的几何形状无严格要求等特点。
二、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。
三、实验原理测量 原理：将四根排成一条直线的探针以一定的压力垂直地压在被测样品表面上，在 1、4 探针间通以电流 I(mA)，2、3 探针间就产生一定的电压 V(mV)(如图1)。
测量此电压并根据测量方式和样品的尺寸不同，可分别按以下公式计算样品的电阻率、方块电阻、电阻： `①. 薄圆片(厚度≤4mm)电阻率：图１.直线四探针法测试原理图 ↓4↑⨯=IVρF （D/S ）╳F （W/S ）╳W ╳Fsp Ω·cm …(1) 其中：D —样品直径，单位：cm 或mm ，注意与探针间距S 单位一致；S —平均探针间距，单位：cm 或mm ，注意与样品直径D 单位一致(四探针头合格证上的S 值)； W —样品厚度，单位：cm ，在F(W/S)中注意与S 单位一致； Fsp —探针间距修正系数(四探针头合格证上的F 值)；F(D/S)—样品直径修正因子。
当D →∞时，F(D/S)=4.532，有限直径下的F(D/S)由附表B 查出： F(W/S)—样品厚度修正因子。
W/S<0.4时，F(W/S)=1；W/S>0.4时，F(W/S)值由附表C 查出； I —1、4探针流过的电流值，选值可参考表5.2(第6页表5.2)； V —2、3探针间取出的电压值，单位mV ；②. 薄层方块电阻Ｒ□：Ｒ□＝⨯IVF （D/S ）╳F （W/S ）╳Fsp Ω/□…(2) 其中：D —样品直径，单位：cm 或mm ，注意与探针间距S 单位一致；S —平均探针间距，单位：cm 或mm ，注意与样品直径D 单位一致(四探针头合格证上的S 值)； W —样品厚度，单位：cm ，在F(W/S)中注意与S 单位一致； Fsp —探针间距修正系数(四探针头合格证上的F 值)；F(D/S)—样品直径修正因子。
实验2四探针法测量半导体电阻率和薄层电阻
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实验参考资料
⑴孙以材编著：<<半导体测试技术>> ，冶金工业出版社 1984。 ⑵ 成都电讯工程学院 谢孟贤、刘国维编： <<半导体工艺原理>>上册， 国防
工业出版社，1980。
⑶ 复旦大学，孙恒慧、包宗明主编： <<半导体物理实验>>，高等教育出版 社， 1985。 ⑷ 厦门大学物理系半导体物理教研室编： <<半导体器件工艺原理>>，人民教 育出版社，1977。
明，在四探针法中只要对公式引入适当的修正系数BO即可，此时：
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实验原理
样品为片状单晶，四探针针尖所连成的直线与样品一个边界平行，距离为
L， 除样品厚度及该边界外，其余周界均为无穷远，样品周围为绝缘介质包围。
另一种情况是极薄样品，极薄样品是指样品厚度d比探针间距小很多，而横 向尺寸为无穷大的样品，这时从探针1流入和从探针4流出的电流，其等位面近似 为圆柱面高为d。 任一等位面的半径设为ｒ，类似于上面对半无穷大样品的推导，很容易得
实验2 四探针法测量半导体电阻率和薄层电阻
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实验目的和意义
☆ 掌握四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法，针对不同几何
尺寸的样品，掌握其修正方法; ☆了解影响电阻率测量的各种因素及改进措施; ☆了解热探针法判断半导体材料的导电类型以及用阳极氧化剥层法求扩散层 中的杂质浓度分布。
四探针法测量半导体电阻率和薄层电阻.
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School of Microelectro量其电阻率。 2. 对同一样品，测量五个不同的点， 由此求出单晶断面电阻率不钧匀度。 3. 对单面扩散和双面扩散的样品， 分别测量其薄层电阻R。 4. 参考附录一，用阳极氧化剥层法求扩散层中的杂质浓度分布(选作)。 5. 参考附录二，用冷热探针法判断半导体材料的导电类型(选作)。
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实验原理
☆扩散层的薄层电阻 半导体工艺中普遍采用四探针法测量扩散层的薄层电阻，由于反向PN 结的隔 离作用，扩散层下的衬底可视为绝缘层，对于扩散层厚度(即结深Xj)远小于探针 间距S，而横向尺寸无限大的样品，则薄层电阻率为：
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实验原理
☆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，如三探针法、电容---电压法、扩展电阻法等 ☆四探针法则是一种广泛采用的标准方法，在半导体工艺中最为常用，其主 要优点在于设备简单，操作方便，精确度高，对样品的几何尺寸无严格要求。 ☆四探针法除了用来测量半导体材料的电阻率以外，在半导体器件生产中广 泛使用四探针法来测量扩散层薄层电阻，以判断扩散层质量是否符合设计要求。 因此，薄层电阻是工艺中最常需要检测的工艺参数之一。
实验2 四探针法测量半导体电阻率和薄层电阻
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实验目的和意义
☆ 掌握四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法，针对不同几何 尺寸的样品，掌握其修正方法; ☆了解影响电阻率测量的各种因素及改进措施; ☆了解热探针法判断半导体材料的导电类型以及用阳极氧化剥层法求扩散层 中的杂质浓度分布。
四探针方法测电阻率(原理公式推导)
2、打开电源并预热１小时。
3、极性开关置于上方，工作状态选择开关置于 “短路”，拨动电流和电压量程开关，置于 样品测量所合适的电流、电压量程范围。调 节电压表的粗调细调调零，使显示为零。
四探针法测量原理图
材料电阻率 V C
(1)
I
探针系数
20π
C 1 1 1 1 (2)
S1 S2 S1 S2 S2 S3
式中：S1、S2、S3分别为探针１与２，２与３，３ 与４之间距，用cm为单位时的值，S1=S2=S3=1mm. 每个探头都有自己的系数。C6.280.05单位cm。
<三> 仪器结构特征
• 数字式四探针测试仪主体部分由高灵敏 度直流数字电压表、恒流源、电源、DCDC电源变换器组成。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、自校电路和调 零电路。
• 仪器电源经过DC-DC变换器，由恒流源电路 产生一个高稳定恒定直流电流，其量程为 10μA、100μA、1mA、10mA、100mA，数值 连续可调，输送到１、４探针上，在样品上 产生一个电位差，此直流电压信号由２、３ 探针输送到电气箱内。具有高灵敏度、高输 入阻抗的直流放大器中将直流信号放大（放 大量程有0.2mV、2mV、20mV 、200mV、 2V），再经过双积分A/D变换将模拟量变换 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。
3、方块电阻测量，电流调节在4.53时，读出数 值10倍为实际的方块电阻值。
4、薄片电阻率测量：当薄片厚度>0.5mm时， 按公式（3）进行；当薄片厚度<0.5mm时， 按公式（4）进行。
四探针方法测电阻率
为：
的半球等位面
由此可得出样品的电阻率为：
簿片电阻率测量 簿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 状和测量位置的修正系数。
下面考虑一般情况下的修正：
当圆形硅片的厚度满足W/S＜0.5时，电阻率为：
0
W S
1 D(d ) 2 ln 2 S
这就是我们实验时用到的公式
1.显示板 2、单位显示灯 3、电流量程开关 4、工作 选择开关（短路、测量、调节、自校选择）5、电 压量程开关6、输入插座7、调零细调8、调零粗调9、 电流调节10、电源开关11、电流选择开关 12、极性 开关
6、工作状态选择开关置于“测量”，按下电流开关 输出恒定电流，即可由数字显示板和单位显示灯 直接读出测量值。再将极性开关拨至下方（负极 性），按下电流开，读出测量值，将两次测量值 取平均，即为样品在该处的电阻率值。关如果 “±”极性发出闪烁信号，则测量数值已超过此电 压量程，应将电压量程开关拨到更高档，读数后
<六>心得体会
一、通过对四探针法的研究，我们探索到了测 电阻率时需要的修正函数（厚度修正函数以及 形状和测量位置的修正函数）。 二、体会了研究性实验的探索过程，感悟了科 学研究历程的愉悦。 三、推广了四探针法的测量范围，可以对不规 则硅晶片进行测量计算。
退出电流开关，数字显示恢复到零位.
实验数据
通过修正公式修正后，得到：
与实验预期结果相吻合，因 此该验证公式较为理想。
<五> 注意事项
1、电流量程开关与电压量程开关必须放在 下表所列的任一组对应的量程
电压 2V 200m 20mV 2mV 0.2m
量程
V
V
电流 100m 10mA 1mA 100μ 10μA
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实验原理
样品为片状单晶，四探针针尖所连成的直线与样品一个边界平行，距离为
L， 除样品厚度及该边界外，其余周界均为无穷远，样品周围为绝缘介质包围。
另一种情况是极薄样品，极薄样品是指样品厚度d比探针间距小很多，而横 向尺寸为无穷大的样品，这时从探针1流入和从探针4流出的电流，其等位面近似 为圆柱面高为d。 任一等位面的半径设为ｒ，类似于上面对半无穷大样品的推导，很容易得
间距S，而横向尺寸无限大的样品，则薄层电阻率为：
极薄样品，等间距探针情况
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实验原理
说明：样品为片状单晶，除样品厚度外，样品尺寸相对探针间距为无穷大，四
探针垂直于样品表面测试，或垂直于样品侧面测试 。
实际工作中，我们直接测量扩散层的薄层电阻，又称方块电阻，其定义就是 表面为正方形的半导体薄层，在电流方向所呈现的电阻，见下图。 所以 ：
r
2
Байду номын сангаас
dr r2
r
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实验原理
上式就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离为ｒ的点的电位与探针流过的电
流和样品电阻率的关系式，它代表了一个点电流源对距离ｒ处的点的电势的贡献。
任意位置的四探针 对上图所示的情形，四根探针位于样品中央，电流从探针1流入，从探针4 流出， 则可将1和4探针认为是点电流源，由(2-6)式可知，2和3探针的电位为：
品周围为绝缘介质包围。同样需要注意的是当片状样品不满足极薄样品的条件
时，仍需按上式计算电阻率P。
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☆扩散层的薄层电阻 半导体工艺中普遍采用四探针法测量扩散层的薄层电阻，由于反向PN 结的隔
离作用，扩散层下的衬底可视为绝缘层，对于扩散层厚度(即结深Xj)远小于探针
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实验原理
直线型四探针 需要指出的是： 这一公式是在半无限大样品的基础上导出的，实用中必需 满足样品厚度及边缘与探针之间的最近距离大于四倍探针间距， 这样才能使该 式具有足够的精确度。
如果被测样品不是半无穷大，而是厚度，横向尺寸一定，进一步的分析表
因此有:
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实验原理
实际的扩散片尺寸一般不很大，并且实际的扩散片又有单面扩散与双面扩散之
分， 因此，需要进行修正，修正后的公式为：
2
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I 1 1 ( ) 2 r12 r24
3
I 1 1 ( ) 2 r13 r34
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实验原理
2、3探针的电位差为：
V23 2 3
I 1 1 1 1 ( ) 2 r12 r24 r13 r34
出当r12=r23=r34=S时，极薄样品的电阻率为：
上式说明，对于极薄样品，在等间距探针情况下、探针间距和测量结果无关， 电阻率和被测样品的厚度d成正比。
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实验原理
极薄样品，等间距探针情况 说明：样品为片状单晶，四探针针尖所连成的直线与样品一个边界垂直， 探针与该边界的最近距离为L，除样品厚度及该边界外，其余周界为无穷远，样
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实验目的和意义
☆ 掌握四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法，针对不同几何
尺寸的样品，掌握其修正方法; ☆了解影响电阻率测量的各种因素及改进措施; ☆了解热探针法判断半导体材料的导电类型以及用阳极氧化剥层法求扩散层 中的杂质浓度分布。
若E为ｒ处的电场强度， 则：
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由电场强度和电位梯度以及球面对称关系， 则
d dr I dr 2r 2
E
d Edr
取ｒ为无穷远处的电位为零， 则
(r )
0
d Edr
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实验原理
☆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，如三探针法、电容---电压法、扩展电阻法等 ☆四探针法则是一种广泛采用的标准方法，在半导体工艺中最为常用，其主 要优点在于设备简单，操作方便，精确度高，对样品的几何尺寸无严格要求。 ☆四探针法除了用来测量半导体材料的电阻率以外，在半导体器件生产中广 泛使用四探针法来测量扩散层薄层电阻，以判断扩散层质量是否符合设计要求。 因此，薄层电阻是工艺中最常需要检测的工艺参数之一。
此可得出样品的电阻率为：
2V23 1 1 1 1 )1 ( r12 r24 r13 r34 I
上式就是利用直流四探针法测量电阻率的普遍公式。 我们只需测出流过1、 4 探针的电流I以及2、3 探针间的电位差V23，代入四根探针的间距， 就可以求
出该样品的电阻率ρ。
实际测量中， 最常用的是直线型四探针， 即四根探针的针尖位于同一直线 上，并且间距相等， 设r12=r23=r34=S，则有：
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实验原理
☆ 半导体材料的电阻率
在半无穷大样品上的点电流源， 若样品的电阻率ρ均匀， 引入点电流源的 探针其电流强度为I，则所产生的电力线具有球面的对称性， 即等位面为一系列 以点电流为中心的半球面，如图所示。在以ｒ为半径的半球面上，电流密度ｊ的 分布是均匀的：