四探針測試半導(dǎo)體的電阻率

1、四探針法測量半導(dǎo)體的電阻率一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解四探針電阻率測試儀的基本原理；2、了解的四探針電阻率測試儀組成、原理和使用方法；3、能對給定的物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、處理。二、實(shí)驗(yàn)原理1.電阻的測量電性能是材料的重要物理性能之一，材料導(dǎo)電性的測量就是測量試樣的電阻或電阻率。電阻的測量方法很多，若精度要求不高，常用兆歐表、萬用表、歐姆表及伏安法等測量；若精度要求比較高或阻值在10-6102。的材料電阻（如金屬或合金的阻值）測量時(shí)，需采用更精密的測量方法。常用的幾種方法如下：雙臂電橋法：根據(jù)被測量與已知量在直流橋式線路上進(jìn)行比較而得出測量結(jié)果，其精確測量電阻范圍為10-610-3。，誤差

2、為0.20.3%。缺點(diǎn)：受環(huán)境溫度影響較大。直流電位計(jì)測量法：一種比較法測量電動勢，通過“串聯(lián)電路中電壓與電阻成正比”計(jì)算得出電阻。其可測量10-7V微小電動勢。優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)線和引線電阻不影響測試結(jié)果。直流四探針法：主要用于半導(dǎo)體或超導(dǎo)體等低電阻率的精確測量。沖擊檢流計(jì)法：主要用于絕緣體電阻的測量，將待測電阻與電容器串聯(lián)，用沖擊檢流計(jì)測量電容器極板上的電量。通過檢流計(jì)的偏移量來計(jì)算待測電阻，可測得絕緣體電阻率高達(dá)101510i6Qcm。電阻率的測量電阻率是用來表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量，某種材料制成的長1米、橫截面積是1平方毫米的在常溫下（20C時(shí)）導(dǎo)線的電阻，叫做這種材料的電阻率。它反映物質(zhì)對

3、電流阻礙作用。電阻率是半導(dǎo)體材料的重要電學(xué)參數(shù)之一，硅單晶的電阻率與半導(dǎo)體器件的性能有密切聯(lián)系。因此電阻率的測量是半導(dǎo)體材料常規(guī)參數(shù)測量項(xiàng)目之一。測量電阻率的方法很多，如二探針法、擴(kuò)展電阻法等。而四探針法則是目前檢測半導(dǎo)體電阻率的一種廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)方法。它具有設(shè)備簡單、操作方便、精度較高、對樣品的幾何形狀無嚴(yán)格要求等優(yōu)點(diǎn)。直流四探針法測試原理體電阻率測量：當(dāng)1、2、3、4根金屬探針排成直線時(shí)，并以一定的壓力壓在半導(dǎo)體材料上，在1、4兩處探針間通過電流I,則2、3探針間產(chǎn)生電位差V。材料的電阻率為（門cm）式中C為探針系數(shù)，由探針幾何位置決定。5)當(dāng)試樣電阻率分布均勻，試樣尺寸滿足半無限大條件時(shí)

4、cm)2)|H1?七4冒1*4專Lr圖1四探針測量原理圖為樣品厚度與探針間距的修正函數(shù)，可由相關(guān)表格查得為樣品形狀和測量位置的修正函數(shù)。式中：S、S2、S3分別為探針1與2,2與3,3與4之間的間距。探頭系數(shù)由制造廠對探針間距進(jìn)行測定后確定，并提供給用戶。每個(gè)探頭都有自己的系數(shù)，C628005，單位為cm。當(dāng)S=S2=S3=1mm時(shí)，C=2n。若電流取I=C時(shí)，則p=V可由數(shù)字電壓表直接讀出。(a)塊狀和棒狀樣品體電阻率測量由于塊狀和棒狀樣品外形尺寸也探針間距比較，合乎與半無限大的邊界條件，電阻率值可以直接由(1)，(2)式求出。(b)薄片電阻率測量薄片樣品因?yàn)槠浜穸扰c探針間距比較，不能忽略，

5、測量時(shí)要提供樣品的厚度、形狀和測量位的修正系數(shù)。電阻率可由下面公式得出：3)Q二2曲?G耳記二恥兄)23US4JS式中：必為塊形體電阻率測量值W樣品厚度(pm)；S針間距(mm)當(dāng)圓形硅片的厚度滿足W/SvO.5時(shí)，電阻率為：矢備丁吩)皿珥殆0擴(kuò)散層的方塊電阻測量：當(dāng)半導(dǎo)體薄層尺寸滿足于半無限大平面條件時(shí)：若取I=4.53，則R值可由V表中直接讀出。三、儀器結(jié)構(gòu)特征本實(shí)驗(yàn)中采用的SX1944型數(shù)字式四探針測試儀電氣部分原理方框圖如圖2所示。圖2儀器分為主機(jī)和測試架兩部分，其中主機(jī)部分由高靈敏度直流數(shù)字電壓表（由調(diào)制式高靈敏直流電壓放大器、雙積分A/D變換器、計(jì)數(shù)器、顯示器組成）、恒流源、電源、

6、DC-DC變換器組成。為了擴(kuò)大儀器功能及方便使用，還設(shè)立了單位、小數(shù)點(diǎn)自動顯示電路、電流調(diào)節(jié)電路、自校電路和調(diào)零電路。儀器+12V電源經(jīng)過DC-DC變換器，由恒流源電路產(chǎn)生一個(gè)高穩(wěn)定度恒定直流電流，其量程分別為10泌、100泌、1mA、10mA、100mA五檔。在各檔電流量程中，輸出電流值均連續(xù)可調(diào)。此恒定電流輸送到1、4探針上，在樣品上產(chǎn)生一個(gè)直流電位差，被2、3探針檢出，由高靈敏度、高輸入阻抗的直流電壓放大器中將直流電壓信號放大（放大量程有02mV、2mV、20mV、200mV、2V五檔），再經(jīng)過雙積分A/D變換器將模擬量變換為數(shù)字量，經(jīng)由計(jì)數(shù)器、單位、小數(shù)點(diǎn)自動轉(zhuǎn)換電路顯示出測量結(jié)果。儀

7、器設(shè)立了“粗調(diào)”、“細(xì)調(diào)”調(diào)零電路，以產(chǎn)生一個(gè)恒定的電勢來抵消試中探針與半導(dǎo)體材料樣品接觸時(shí)產(chǎn)生的接觸電勢和整流效應(yīng)的影響。儀器的自校電路中備有精度為0.02%、阻值為19.96Q的標(biāo)準(zhǔn)電阻，作為自校電路的基準(zhǔn)。通過自校電路可以方便地對數(shù)字電壓表和恒流源的精度進(jìn)行校準(zhǔn)。測試架由探頭及壓力傳動機(jī)構(gòu)、樣品臺構(gòu)成。見圖3圖3測試架結(jié)構(gòu)圖四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試樣1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號：SX1944數(shù)字式四探針測試儀，規(guī)格：測量范圍：電阻率：10-4105Qcm；方塊電阻：10-3106Q;薄膜電阻：10-4105Q?？蓽y半導(dǎo)體材料的尺寸：15100mm。電壓表參數(shù)：量程200mV,誤差0.1%，讀數(shù)2字，最大分辨

8、率10円；電流表參數(shù)：輸出0100mA連續(xù)可調(diào)，誤差0.5%，讀數(shù)2字；探頭參數(shù)：探針間距1mm,探針直徑90.5mm，壓力02kg可調(diào)。2.試樣表面要求：潔凈干燥。五、實(shí)驗(yàn)步驟打開SX1944四探針測試儀主機(jī)開關(guān)，預(yù)熱05h,室內(nèi)溫度及濕度使之達(dá)到測試要求。測量并記錄試樣的厚度和直徑打開電腦桌面軟件SX1944，選取測薄圓片的電阻率輸入相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)：試樣標(biāo)識、厚度、直徑點(diǎn)擊“測試”，選擇自動電流量程，根據(jù)彈出的對話框壓下探頭（輕觸試樣即可），調(diào)節(jié)電流，然后點(diǎn)擊“確認(rèn)”，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。點(diǎn)擊“測試”，選擇“自動測試”，根據(jù)彈出的對話框調(diào)節(jié)電流，點(diǎn)擊“確認(rèn)”，即可進(jìn)行測量顯示。六、數(shù)據(jù)處理多次測量去平均值，減小測量誤差探針間距：薄片邊長：d/s=單晶硅（電阻率Qcm）J、次數(shù)測試方法、12345手持式ST226型測試多晶硅（電阻率Qcm）