实验一 四探针法测试半导体的电阻率.docx

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实验一四探针法测试半导体的电阻率

实验一四探针法测试半导体的电阻率

实验项目性质：

普通实验

所涉及课程：

半导体物理

计划学时：

2学时

一、实验目的

1．掌握方块电阻的概念和意义；

2．掌握四探针法测量方块电阻的原理；

3．学会操作四探针测试仪。

二、实验原理

1．方块电阻

对任意一块均匀的薄层半导体，厚W，宽h，长L。

图1薄层半导体示意图

如果电流沿着垂直于宽和厚的方向，则电阻为

，当

时，表面成方块，它的电阻称为方块电阻，记为

，单位为

（1）

式中的方块电阻

与电阻层厚度h和电阻率

有关，但与方块大小无关，这样得到

（2）

对于一扩散层，结深为

，宽h，长L，则

。

定义L＝h时，为扩散层的方块电阻，

（3）

这里的

、

均为平均电阻率和平均电导率。

若原衬底的杂质浓度为

，扩散层杂质浓度分布为

，则有效杂质浓度分布为

。

在

处，

。

又假定杂质全部电离，则载流子浓度也是

。

则扩散层的电导率分布为

，对结深的方向进行积分求平均，可得到

。

（4）

若

为常数，由（3）式，有

。

其中

表示扩散层的有效杂质总量。

当衬底的原有杂质浓度很低时，有

，则

（单位面积的扩散杂志总量）

因此有

。

2．四探针法测扩散层的方块电阻

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探针间通过电流I（mA），2、3探针间就产生一定的电压V（mV）。

（如图）

图2直线四探针法测试原理图

材料电阻率

（Ω.cm）（5）

式中C为探针修正系数，由探针的间距决定。

当试样电阻率分布均匀，试样尺寸满足半无穷大条件时

C=

（cm）（6）

式中：

S1，S2，S3分别为探针对1与2，2与3，3与4之间的距离，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。

每个探头都有自已的系数。

C≈6.28±0.05,单位为cm（7）

（a）块状或棒状样品体电阻率测量：

由於块状或棒状样品外形尺寸远大於探针间距，符合半无穷大的边界条件，电阻率值可直接由（5）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相近，不符合半远穷大边界条件，测量时要附加样品的厚度，形状和测量位置的修正系数。

其电阻率值可由下面公式得出

ρ=

=

（8）

式中ρ0为块状体电阻率测量值。

样品厚度修正系数，可由附录1A或附录1B查得。

W：

样品厚度（μm）;S探针间距（mm）

为样品形状与测量位置的修正函数可由附录2查得。

d为样品的宽度或长度。

当圆形硅片的厚度满足

<0.5条件时，电阻率为

ρ=ρ0

（9）

式中Ｌn2为２的自然对数。

当忽略探针几何修正系数时，即认为Ｃ＝２πＳ时，

（10）

（c）扩散层的方块电阻测量

当半导体薄层尺寸满足于半无穷大平面条件时:

（11）

仪器主体部分由单片计算机,液晶显示器、键盘、高灵敏度，高输入阻抗的方大器、双积分式A/D变换器、恒流源、，开关电源，DC-DC变换隔离电源。

电动，手动或手持式四探针测试架（头）等组成。

三、SZT—2A型四探针测试仪的使用

面板介绍：

（实验现场讲解）

L：

主机数字及状态显示器

本仪器适配三种测试架（电动，手动，手持测试头），还可使用带有四个夹子的，四线法电阻测试输入插头，这四种输入插头虽然外形相同，使用同一个输入插座，但使用方法略有不同，以下将分别于以说明。

1．主机；

面板：

面板左侧为液晶显示器，显示器的第一行显示测量结果，阻单位（KΩ，Ω，mΩ）和测量方式的符号（“-cm”电阻率,“-口”方块电阻，“—”电阻）-在正常测量时第二行将以较小的字号显示和第一行相同的数值，只有在超程时第一行显示四个横杠（----），第二行则显示一个正在使用的测量方式可以显示的最大数值，例如电阻率测量可以显示的最大值为1256，方块电阻可以显示的最大值为9060，而电阻测量则可以显示的最大显示值为1999，（以上所示的值中小数点和单位均视测量当时所设量程而定，这里不作详述）。

面板右侧为指示灯和键盘，第一行5个指示灯分别指示当前恒流源的工作状态，这5个指示灯在任何情况下只有灯亮，如左起第一个灯亮则代表目前恒流源正在可以输出100mA恒定电流的工作状态。

从左到右的5个指示灯分别指示了恒流源的“100mA”，“10mA”，“1mA”,“100μA”,“10μA”5个工作状态。

第二行三个指示灯，自左至右指示了三个电压量程（2V，200mV,20mV）。

第三行三个指示灯，自左至右为测量方式指示（电阻率，方块电阻，电阻）。

指示灯下面为二行三列功能设置键，上面一行为左移键，第二行为右移键，左起第一列为恒流源设置键，第二列为测量方式设置键，第三列为电压量程设置键，最下面一个键为往复键，重复按键可以选择测量或保持二个状态，（必须注意！

当使用电动测试架时，只能设定在测量状态）。

后侧板：

后侧板的左侧装有带保险丝的电源插座和电源开关，右侧为七芯信号输入插座和RS232的九针插头座。

2．测试架；

A．电动测试架；

电动测试架是一个完整的组件，本身带有开关电源`，和步进电机驱动电路，交流电源插头，九芯插头座和七芯输入插头，开关电源的+5V电源电压和七芯插头均通过一个九针插头和测试架连接，所以在使用前首先将它插入测试架上的九针座上，七芯输入插头插入主机后侧板上的输入插座中。

接通主机和测试架的220V交流电源，测试架的探头就会复位，上升到规定位置。

主机在接通电源后，首先运行自检程序，液晶显示器显示公司名称，网址，联系电话，同时指示灯循环点亮一次，最后电流指灯停在1mA位置上，电指示灯停在2V位置，测量模式指示灯停在电阻率测量模式，测量/保持键则选在测量位置，液晶显示器显示单位为KΩ-cm，（电阻率测量）液晶显示器的最下面一行显示的0.628是探头的修正系数。

这是仪器在开机后的优先先选择。

此时液晶显示器的第一行还没有显示任何数值，因为现在测量还没有开始，接下来可以将被测半导体材料放在测试架的园形绝缘板的园心上，把探针保护套取下并保存好，按一下测试架上的启动按键（小红键），随即测试头下降探针和被测工件接触

稍后显示测量结果，测试头上升。

如果测量结果显示“----”则为超量程，可以减小恒流源的设置值或升高电压量程，如果电压量程置于最高，恒流电流置于最小，仍显示超量程则可能是被测工件电阻太大，已超出了本仪器的测量范围，当测量的结果为0则可以增大恒流电流或减小电压量程，调整电流或电压量程，直至测量结果可以显示三位以上的读数为最好的量程组合。

在选择量程时必须注意的是，如已知被测工件是半导体并且阻值大于10Ω时，不要使用10mA以上的恒流源，原因是10mA以上的恒流源使用较低的工作电压，而半导体材料表面的接触电阻又较大，会使恒流源工作不正常。

B．手动测试架

手持测试头，四端子电阻测试夹使用比较简单，只要将七芯输入插头插入输入端，仪器就会连续测量，将探针和工件良好接触，就可在显示器上读出测量结果。

四、实验内容及步骤

（1）开启四探针测量仪电源，预热15分钟。

（2）摘掉四探针的小帽，放置样品；在四探针测量仪上设置量程。

估计所测样品的电阻率或方块电阻或电阻的范围，按下表选择电流量程，如无法估计时，一般先选择0.1mA量程进行测试，再估计。

（注意：

厚度已知的样品可选择电阻率一档测试，厚度很薄或未知可选择测量方块电阻，手动测试架选电阻一档）

（3）按下样品台旁边的小红点，四探针自动下降至样品表面，接触样品接通电流后，四探针自动上升至初始位置。

从四探针测量仪的显示器上读出电流数值，则表明接触良好。

（注意：

如果样品电阻太高，则由于没有接通电流而使四探针一直往下压样品，这时请立即把通信串口线拔掉，以免压坏样品，然后再插上，四探针将自动回到初始位置。

）

（4）使用不同量程对样品进行测试，以可以测量的最小量程测得的结果为准。

同一位置，同一条件可进行多次测量，取其平均值。

（5）在电阻率测量时，应询问老师样品的厚度，并简单测量样品的平面线宽，以便查附表得到相应的修正系数。

五．实验内容

1.测试给定半导体硅的体电阻率，并根据电阻率的大小估算改半导体的掺杂浓度，并写出判断的根据，包括公式，图表等

2.测量透明导电薄膜FTO的方块电阻，测量硅片的方块电阻，请解释方块电阻的定义

3.使用手持测试头，测量半导体或导体棒的电阻，计算改半导体棒单位长度的电阻

附录：

测量时，预估的样品阻值范围应该选择相对应的电流范围，关系如下表：

电阻率范围（Ω－cm）

　　　　电流档

　　　　＜0.012

100mA

0.008—0.6

10mA

0.4—60

1mA

40—1200

100uA

＞800

10uA

附录1A样品厚度修正系数G（

）

样品厚度较薄：

=0.001~1见表5

W：

样品厚度（μm）：

S：

探针间距（mm）

W/S

W

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.10

0.11

0.12

0.13

0.14

0.15

0.16

0.17

0.18

0.19

0.20

0.21

0.22

0.23

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

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W/S

W

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0.24

0.25

0.26

0.27

0.28

0.29

0.30

0.31

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0.39

0.40

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0.46

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0.50

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270

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310

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330

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400

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480

490

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W/S

W

0

1

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3

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5

6

7

8

9

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