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。材料的电阻率为

（·cm）（1）

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

图1四探针测量原理图

（cm）（2）

式中：S1、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S1=S2=S3=1mm时，C=2π。若电流取I=C时，则ρ=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）

式中：——为块形体电阻率测量值

——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。

W——样品厚度(μm)；S——探针间距(mm)

当圆形硅片的厚度满足W/S<0.5时，电阻率为：

（4）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：

（5）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10μA、100μA、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19.96Ω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：10-4～105Ω·cm；方块电阻：10-3～106Ω；薄膜电阻：10-4～105Ω。可测半导体材料的尺寸：φ15～100mm。电压表参数：量程200mV,误差±0.1%，读数±2字，最大分辨率10μv；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φ0.5mm，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

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