四探针测电阻率实验指导书及SZT-2A四探针测试仪使用说明书

实验七四探针法测量材料的电阻率

一、实验目的

（1）熟悉四探针法测量半导体或金属材料电阻率的原理

（2）掌握四探针法测量半导体或金属材料电阻率的方法

二、实验原理

半导体材料是现代高新技术中的重要材料之一，已在微电子器件和光电子器件中得到了广泛应用。半导体材料的电阻率是半导体材料的的一个重要特性，是研究开发与实际生产应用中经常需要测量的物理参数之一，对半导体或金属材料电阻率的测量具有重要的实际意义。

直流四探针法主要用于半导体材料或金属材料等低电阻率的测量。所用的仪器示意图以及与样品的接线图如图1所示。由图1(a)可见，测试过程中四根金属探针与样品表面接触，外侧1和4两根为通电流探针，内侧2和3两根是测电压探针。由恒流源经1和4两根探针输入小电流使样品内部产生压降，同时用高阻抗的静电计、电子毫伏计或数字电压表测出其它两根探针（探针2和探针3）之间的电压V23。

a b

图1 四探针法电阻率测量原理示意图

若一块电阻率为 的均匀半导体样品，其几何尺寸相对探针间距来说可以看

作半无限大。当探针引入的点电流源的电流为I ，由于均匀导体内恒定电场的等位面为球面，则在半径为r 处等位面的面积为22r π，电流密度为

2/2j I r π= （1）

根据电流密度与电导率的关系j E σ=可得

2222j

I I E r r

ρσπσπ=== （2） 距离点电荷r 处的电势为 2I V r ρπ=

（3） 半导体内各点的电势应为四个探针在该点所形成电势的矢量和。通过数学推导，四探针法测量电阻率的公式可表示为

123231224133411112()V V C r r r r I I

ρπ-=--+•=• （4） 式中，112241334

11112()C r r r r π-=--+为探针系数，与探针间距有关，单位为cm 。 若四探针在同一直线上，如图1(a)所示，当其探针间距均为S 时，则被测样品的电阻率为

123231

1112()222V V S S S S S I I

ρππ-=--+•=• （5） 此即常见的直流等间距四探针法测电阻率的公式。

有时为了缩小测量区域，以观察不同区域电阻率的变化，即电阻率的不均匀性，四根探针不一定都排成一直线，而可排成正方形或矩形，如图1(b)所示，此时只需改变电阻率计算公式中的探针系数C 即可。

四探针法的优点是探针与半导体样品之间不要求制备接触电极，极大地方便了对样品电阻率的测量。四探针法可测量样品沿径向分布的断面电阻率，从而可以观察电阻率的不均匀性。由于这种方法允许快速、方便、无损地测试任意形状样品的电阻率，适合于实际生产中的大批量样品测试。但由于该方法受到探针间距的限制，很难区别间距小于0.5mm 两点间电阻率的变化。

根据样品在不同电流（I ）下的电压值（V 23），还可以计算出所测样品的电阻率。

三、实验装置

1）四探针组件或四探针电阻率测试仪

2）S B118精密直流恒流源（如四探针电阻率测试仪中已内置恒流源，此部分不用）

3）P Z158A直流数字电压表（如四探针电阻率测试仪中已内置恒流源，此部分不用）

四、实验步骤

（1）预热：打开SB118恒流源和PZ158A电压表的电源开关（或四探针电阻率测试仪的电源开关），使仪器预热30分钟。

（2）放置待测样品：首先拧动四探针支架上的铜螺柱，松开四探针与小平台的接触，将样品置于小平台上，然后再拧动四探针支架上的铜螺柱，使四探针的所有针尖同样品构成良好的接触即可。

（3）联机：将四探针的四个接线端子，分别接入相应的正确的位置，即接线板上最外面的端子，对应于四探针的最外面的两根探针，应接入SB118恒流源的电流输出孔上，二接线板上内侧的两个端子，对应于四探针的内侧的两根探针，应接在PZ158A电压表的输入孔上，如图1(a)所示。

（4）测量：使用SB118恒流源部分，选择合适的电流输出量程，以及适当调节电流（粗调及细调），可以在PZ158A上测量出样品在不同电流值下的电压值，利用公式（5）即可计算出被测样品的电阻率 。

五、注意事项

（1）在拧动四探针支架上的铜螺柱时，用手扶住四探针架，不要让它在样品表面滑动，以免探针的针尖划伤样品表面。此外，铜螺柱不要拧得过紧，以免探针的针尖划伤样品，只要保证针尖与样品有良好接触即可。

（2）在连接SB118恒流源前或更换样品前，应先将其电流输出调节至零。PZ158A电压表可选择在0.2V或2V量程。

（3）在切换SB118恒流源的电流量程时，应先将其电流输出调节至零，以免造成电流对样品的冲击。

（4）在选择电流时，对某些样品，最大的电流值对应的电压值一般不超过5mV，如果流过样品的电流过大，将会引起样品发热，影响测量结果。

（5）在某一电流值下，测量电压时，可分别测量正反向电压，取平均值后用于电阻率的计算。

六、实验报告要求

（1）简述实验目的、内容及过程；

（2）简述四探针法测电阻率的原理；

（3）记录半导体或金属样品的电阻率，分析电阻率的影响因素。

SZT-2A四探针测试仪

使用说明书

一概述

SZT-2A型数字式四探针测试仪是运用四线法测量原理的多用途综合测量装置，配上专用的四探针测试架，即可以测量片状，块状或柱状半导体材料的径向和轴向电阻率，测量扩散层的薄层电阻（亦称方块电阻）。四探针测试架有电动，手动，手持三种可以选配，另外还配有四个夹子的四线输入插头用来作为测量线状或片状电阻的中、低阻阻值。

仪器由主机，测试架等部份组成，测试结果由液晶显示器显示，同时，液晶显示器还显示测量类型（电阻率，方块电阻和电阻）以及探头修正系数。

主机由开关电源，DC/DC变换器，高灵敏度电压测量部份，高稳定度恒流源，和微电脑控制系统组成。由于采用大规模集成电路，所以仪器可靠性高，测量稳定性好。

测试探头采用宝石导向轴套和高硬度钢针，定位准确，游移率小，使用寿命长。

仪器适用於半导体材料厂，半导体器件厂，科研单位，高等院校对半导体材料电阻性能的测试。

本仪器工作条件为：

温度：23℃±3℃

相对湿度：50%~70%