實驗一：四探針法測半導(dǎo)體電阻率

1、試驗一：四探針法測量半導(dǎo)體電阻率1、試驗?zāi)康?（1）生疏四探針法測量半導(dǎo)體或金屬材料電阻率的原理 （2）把握四探針法測量半導(dǎo)體或金屬材料電阻率的方法2、試驗儀器 XXXX型數(shù)字式四探針測試儀；XXXX型便攜式四探針測試儀；硅單晶； 3、試驗原理半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代高新技術(shù)中的重要材料之一，已在微電子器件和光電子器件中得到了廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體材料的電阻率是半導(dǎo)體材料的的一個重要特性，是爭辯開發(fā)與實際生產(chǎn)應(yīng)用中經(jīng)常需要測量的物理參數(shù)之一，對半導(dǎo)體或金屬材料電阻率的測量具有重要的實際意義。直流四探針法主要用于半導(dǎo)體材料或金屬材料等低電阻率的測量。所用的儀器示意圖以及與樣品的接線圖如圖1所示。由圖1(a)可

2、見，測試過程中四根金屬探針與樣品表面接觸，外側(cè)1和4兩根為通電流探針，內(nèi)側(cè)2和3兩根是測電壓探針。由恒流源經(jīng)1和4兩根探針輸入小電流使樣品內(nèi)部產(chǎn)生壓降，同時用高阻抗的靜電計、電子毫伏計或數(shù)字電壓表測出其它兩根探針（探針2和探針3）之間的電壓V23。圖1 四探針法電阻率測量原理示意圖若一塊電阻率為的均勻半導(dǎo)體樣品，其幾何尺寸相對探針間距來說可以看作半無限大。當(dāng)探針引入的點(diǎn)電流源的電流為，由于均勻?qū)w內(nèi)恒定電場的等位面為球面，則在半徑為處等位面的面積為，電流密度為 （1）依據(jù)電流密度與電導(dǎo)率的關(guān)系可得 （2）距離點(diǎn)電荷處的電勢為 （3）半導(dǎo)體內(nèi)各點(diǎn)的電勢應(yīng)為四個探針在該點(diǎn)所形成電勢的矢量和。通過數(shù)

3、學(xué)推導(dǎo)，四探針法測量電阻率的公式可表示為 （4）式中，為探針系數(shù)，與探針間距有關(guān)，單位為cm。若四探針在同始終線上，如圖1(a)所示，當(dāng)其探針間距均為時，則被測樣品的電阻率為 （5）此即常見的直流等間距四探針法測電阻率的公式。有時為了縮小測量區(qū)域，以觀看不同區(qū)域電阻率的變化，即電阻率的不均勻性，四根探針不肯定都排成始終線，而可排成正方形或矩形，如圖1(b)所示，此時只需轉(zhuǎn)變電阻率計算公式中的探針系數(shù)即可。四探針法的優(yōu)點(diǎn)是探針與半導(dǎo)體樣品之間不要求制備接觸電極，極大地便利了對樣品電阻率的測量。四探針法可測量樣品沿徑向分布的斷面電阻率，從而可以觀看電阻率的不均勻性。由于這種方法允許快速、便利、無損

4、地測試任意外形樣品的電阻率，適合于實際生產(chǎn)中的大批量樣品測試。但由于該方法受到探針間距的限制，很難區(qū)分間距小于0.5mm兩點(diǎn)間電阻率的變化。依據(jù)樣品在不同電流（I）下的電壓值（V23），還可以計算出所測樣品的電阻率。4、試驗內(nèi)容 1、預(yù)熱：打開SB118恒流源和PZ158A電壓表的電源開關(guān)（或四探針電阻率測試儀的電源開關(guān)），使儀器預(yù)熱30分鐘。 2、放置待測樣品：首先擰動四探針支架上的銅螺柱，松開四探針與小平臺的接觸，將樣品置于小平臺上，然后再擰動四探針支架上的銅螺柱，使四探針的全部針尖同樣品構(gòu)成良好的接觸即可。 3、聯(lián)機(jī)：將四探針的四個接線端子，分別接入相應(yīng)的正確的位置，即接線板上最外面的端

5、子，對應(yīng)于四探針的最外面的兩根探針，應(yīng)接入SB118恒流源的電流輸出孔上，二接線板上內(nèi)側(cè)的兩個端子，對應(yīng)于四探針的內(nèi)側(cè)的兩根探針，應(yīng)接在PZ158A電壓表的輸入孔上，如圖1(a)所示。 4、測量：使用SB118恒流源部分，選擇合適的電流輸出量程，以及適當(dāng)調(diào)整電流（粗調(diào)及細(xì)調(diào)），可以在PZ158A上測量出樣品在不同電流值下的電壓值，利用公式（5）即可計算出被測樣品的電阻率。5、 試驗數(shù)據(jù)及處理1. 多次測量去平均值，減小測量誤差單晶硅的電阻率平均值試驗數(shù)據(jù)12.8813.5414.6213.682. 分析測量電阻率中誤差的來源 四探針法是測量一恒流源在樣品不同位置引起的電位差得出材料的電阻率 .

6、 為獲得精確的測試結(jié)果,必需保持四根探針和樣品表面良好、穩(wěn)定的彈性接觸. 它要求探針比較尖及保持適當(dāng)?shù)慕佑|壓力,這就經(jīng)常造成材料表面損傷并使測量值易受外界干擾,這種狀況在測量薄條帶或薄膜樣品時更為明顯. 另外,雖然測量電流很小( < 100 mA) ,但探針與樣品接觸的面積也很小,由局部熱效應(yīng)產(chǎn)生的電動勢有時能達(dá)到被測量信號的量級. 雖然轉(zhuǎn)變電流方向可以抵償大部分熱電勢影響 ,但對于電阻率的微小變化,還是不易得到好的結(jié)果,且不宜連續(xù)測量. 在此基礎(chǔ)上進(jìn)展起來的溝通四探針方法能夠消退電接觸區(qū)的熱電勢,但它對溝通電流源和檢測信號的溝通放大器穩(wěn)定性的要求極為嚴(yán)格,且仍存在接觸穩(wěn)定性問題. 這些因素造成四探針法對于電阻值的微小變化不敏感,阻礙了認(rèn)真分析材料組織結(jié)構(gòu)的微弱變化過程6、留意事項1.