1、實驗七 四探針測試半導體薄膜的電阻率SZT1 型數字式四探針測試儀是運用四探針測量原理的多用途綜合測量裝置，可以測 量棒狀、塊狀半導體材料的徑向和軸向電阻率，片狀半導體材料的電阻率和擴散層方塊電阻， 換上特制的四端子測試夾還可以對低、中值電阻進行測量。儀器由集成電路和晶體管電路混合組成，具有測量精度高、靈敏度高、穩定性好，測量 范圍廣，結構緊湊，使用方便的特點，測量結果由數字直接顯示。儀器探頭采用寶石導向軸 套，與高耐磨合金探針組成具有定位準確，游移率小，壽命長的特點。本儀器適合于對半導 體、金屬、絕緣體材料的電阻性能測試。一、實驗目的（1）了解四探針電阻率測試儀的基本原理；（2）了解的四探針

2、電阻率測試儀組成、原理和使用方法；（3）能對給定的物質進行實驗，并對實驗結果進行分析、處理。二、實驗原理測試原理：直流四探針法測試原理簡介如下：1體電阻率測量：當 1、2、3、4 根金屬探針排成直線時，并以一定的壓力壓在半導體材料上在 1 、4 兩處探針間通過電流I,則2、3探針間產生電位差V。材料的電阻率如下（6.1）式：（懇.cm）（6.1）式中 C 為探針系數,由探針幾何位置決定。當試樣電阻率分布均勻,試樣尺寸滿足半無限大條件時,cm)6.2)式中分別為探針1與2, 2與3, 3與4之間的間距，當 2=1 mm時，C=2n。若電流取I = C時，則p= V可由數字電壓表直接讀出。1）塊狀

3、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。2）薄片電阻率測量薄片樣品因為其厚度與探針間距比較，不能忽略，測量時要提供樣品的厚度形狀和測量 位的修正系數。電阻率可由下面公式得出：6.3)式中：為塊形體電阻率測量值為樣品厚度與探針間距的修正函數，可由相關表格查得為樣品形狀和測量位置的修正函數。當圓形硅片的厚度滿足W/SvO.5時，電阻率為:廠仇（巻叭=蓋丁叭75斗葩6.4)2擴散層的方塊電阻測量:當半導體薄層尺寸滿足于半無限大平面條件時:6.5)若取I =4.53，則R值可由V表中直接讀出。三、實驗儀器與設備

4、數字式四探針測試儀如圖6.2 所示。儀器分為電氣部分、測試架兩大部分，可以根據 測試需要安放在一般工作臺或者專用工作臺上。1、電氣部分 儀器主面板上有高靈敏度直流數字電阻率顯示表，分為mQcm、Qcm、kQ-cm三個量程。（由調制式高靈敏直流放大器、雙積分A/D變換、 計數器、顯示器、恒流源、電源、 DCDC 電源 變換器組成）為了克服測試時探針與樣品接觸時產 生的接觸電勢和整流效應的影響，本儀器設立有圖 6.2 數字式四探針測試儀“粗調”、 “細調”調零電路能產生一個恒定的電勢來補償附加電勢的影響。儀器自較電路，備 有精度為 0.20%的標準電阻，作為自較電路的基礎，通過自較電路可以方便地對

5、數字電壓表 精度很恒流源進行校正。圖 6.3 測試架結構2 、測試架 測試架由探頭及壓力傳動機構、樣品臺構成，見圖4所示。探頭采用精密加工，配寶石導套，使測量誤差大為減小，且壽命長，探頭內有彈簧加力 裝置，測試還有高度粗調、細調裝置。在半導體材料斷面測量時，直徑范圍申15 100 mm， 其高度為400mm,如果要對大于400 mm長單晶的斷面測量，可以將升降架升高或者加長 主柱，測試架有專門的屏蔽導線插頭與電氣箱聯結。四、實驗內容與步驟1測試準備將 220V 電源插入電源插座，電源開關置于斷開位置，工作選擇開關置于“短路 ” 位置， 電流開關處于彈出位置。將測試夾的屏蔽線插頭與電氣箱的輸入插

6、座連接起來，送開測試架 立柱處的高度調節手輪，將探頭調到適當的集團和高度，測試樣品應進行噴紗和清潔處理， 放在樣品架上，使探針能與其表面良好接觸，并保持一定的壓力，調節室內溫度使之達到要 求的測試條件。2測量將電源開關置于開啟位置，數字顯示、儀器通電預熱半小時(儀器作校準考核時0.2mv 電壓量程應預熱一小時)。電阻率、方塊電阻、電阻測量如下：使探頭接觸到樣品，功能開關置于“測量”撥動電流量程開關與電壓量程開關，置于樣品 測量所適應的電流、電壓量程范圍及調節到適合的電流值，調節粗調和細調和細調調零，使 數字顯示為“0000”，按下電流開關，由數字顯示板和單位顯示燈直接讀出測量值和單位，如 果數

7、字顯示熄滅只剩下“-1”或“1”，則測量數值已超過此電壓量程，應將電壓量程撥到更高 擋。讀數后退出電流開關，數字顯示將恢復到零位，否則應重新測量，在儀表處于高靈敏電 壓擋時更要經常檢查零位，再將極性開關撥至下方(負極性)，按下電流開關，從數字顯示 板和單位顯示燈可以讀出負極性的測量值，將兩次測量得的電阻率值取平均，即為樣品在該 處的電阻率值。測量電阻方塊電阻時，可以按表1 所示的電壓電流量程進行選擇。表 6.1 電阻及薄層電阻測量時電壓電流量程選擇電流(mA) 電阻值 電壓(mv)0.2V2V20V200V2V100 mA2 mQ20 mQ200 mQ2 Q20 Q10 mA20 mQ200

8、mQ2 Q20 Q200 Q1 mA200 mQ2 Q20 Q200 Q2 KQ0.1 mA2 Q20 Q200 Q2 kQ20 KQ0.01 mA20 Q200 Q2 KQ20 KQ200 KQ測量電阻率時，樣品的范圍和應選擇的電流范圍見表2所示。根據國家標準，儀器性能從保證測試精度考慮，在電阻率測試時，推薦用戶采用表3 所示電流電壓量程較適合。表 6.2 測量電阻率所要求的電流值電阻率范圍(Q*cm)電流擋(mA) 1000.01表 6.3 電阻率測量時推薦的電流電壓量程選擇電壓(mV) 電阻率(Q-cm)電流(mA)0.22202002V100 mA101尸w310 mAIO-3 10

9、=IO11 mAIO-11201050IO30.1 mA5020010s 1040.01 mAIO3五、注意事項測量電流值的調節：將測量選擇開關置于“電阻”位置，工作選擇開關置于“I調節位置，電流量程開關與電壓量程開關必須放在下表4 所列的任一組對應的位置。表 6.4 電流調節和自較時必須對應的電流電壓量程電壓量程2 V200 mV20 mV2 mV0.2 mV電流量程100 mA10 mA1 mA0.1 mA0.01 mA按下電流開關，調節電流電位器。可以使電流輸出從0 1000，直到數字顯示出測量所 需要的電流值(例6.24, 4.53等)為止。當電流調節電位器頂端100時數字顯示為100

10、02, 是相應電流量程的滿度值，準確的電流值應由數字顯示讀出，只要調節好某一量程電流輸出 值后，其它各量程的電流會按此數字輸出，不同數量級的電流值其誤差為士 2字，一旦電流 值調節好后，不必每次測量都調節。2儀器自較：為了校驗電氣箱中數字電壓表和恒流源的精度，儀器內部裝有精度為 0.02%的標準電阻，供校驗之用。自較時，將測量選擇開關置于“電阻”位置，工作選擇開關 置于“自較”位置，電流量程開關和電壓量程開關按表4 所示進行。調節好零位，按下電流開 關則數字顯示板顯示出“19.9X”，各量程數值誤差為士 6字，如果數值超差，可以調節機內 壓板上“I調節”窗孔使數字恢復到T9.9X”值。3棒狀：

11、塊狀樣品電阻率測量，按測量步驟進行由表 3 選擇電壓電流調節在1 = 6 2SxC ,C為探針幾何修正系數顯示值為測量電阻率值。4薄片電阻率測量：按步驟進行，根據表3 選擇電壓和電流量程。當薄片厚度0.5 mm 時，按公式 3 進行。當薄片厚度0.5 mm 時，按公式 4 進行。5方塊電阻測量，按測量步驟進行，電流電壓量程按表1選擇，當電流調節在4.53 時， 讀出的數值汎10倍為實際的方塊電阻值。電阻（V/I）測量：用四端測量夾子換下四探針測試架，按圖5接好樣品，按測量步 驟進行，由表1 選擇適合的電流和電壓量程，電流值調節到1000數值，讀出數值為實際測 量的電阻值。儀器在中斷測試時應將工作選擇開關置到“短路”位置，電流開關按鈕復原。六、思考題四探針測量半導體薄膜電阻率的基本原理？不同的測試量程對測試準確性的影響？分析討論不同形狀樣品電阻率測量的準確程度？七、附錄SZT-1 型數字式四探針測試儀的技術參數如下：測量范圍：電阻率：10-4103 Q- cm方塊電阻：10-3104。/口電阻：10-6105Q導電類型鑒別：電阻率范圍 10-4 103Q-cm可測半導體材料尺寸直徑：申15100 mm長度：三400