实验一：四探针法测半导体电阻率

材料物理性能实验六四探针法测半导体电阻率引言：材料的电阻率是衡量材料导电性能的重要指标之一、在半导体材料中，由于带电载流子的特殊特性，其电阻率与探测方法有一定的关联。

因此，对于半导体材料的电阻率测试与分析是十分关键的。

实验目的：通过四探针法测量半导体样品的电阻率，分析半导体电阻率的特点。

实验器材与材料：1.半导体样品2.四探针测试仪3.电源4.万用表5.连接线实验步骤：1.将四探针测试仪的四个探针插入半导体样品的表面，探针之间应呈正方形或矩形排列，并保持一定的间距。

2.打开四探针测试仪，选择合适的电流和电压范围，并进行零点校准。

3.调节电源，使电流通过半导体样品。

4.采集电压和电流的数值，并记录下来。

5.换一个电流方向，重复步骤46.将采集到的数据带入电阻率的计算公式，并计算出半导体样品的电阻率。

7.执行多次实验，取平均值得到更准确的结果。

数据处理：根据步骤6，将采集到的电压和电流数值带入下面的公式计算半导体样品的电阻率：ρ=(V*a)/(I*l)其中，ρ为电阻率，V为电压，I为电流，a为电流方向上的电流距离，l为垂直电流方向上的电流距离。

讨论与分析：通过实验测量得到的半导体样品的电阻率与其物理性质有关。

半导体的电阻率通常较高，且受温度的影响较大。

在常温下，半导体的电阻率通常较大，因为带电载流子在晶体内处于散乱运动的状态，导致电阻增大。

当温度升高时，带电载流子的能量增大，散射减少，电阻率减小。

此外，不同类型的半导体（n型或p型）其电阻率也有所不同。

实验注意事项：1.进行四探针法测量时，应保持探针与半导体样品的接触良好，防止有氧化层或其他杂质影响测量结果。

2.在调节电流和电压范围时，应注意不要超过半导体样品所能承受的最大值，以免损坏样品。

3.进行多次实验取平均值时，应尽量保持实验条件的一致性，以获得准确的结果。

结论：通过实验测量得到的半导体样品电阻率可用于分析半导体的导电特性。

半导体的电阻率通常较高且温度敏感。

半导体物理实验复习思考题
一、四探针法测量半导体电阻率实验：
1. 半导体材料包括哪些重要的电学性能，与哪些因素密切相关？
2. 为什么要用四探针进行测量，如果只用两根探针，能否对半导体电阻率准确测量？
3. 什么叫薄层（方块）电阻，它有什么特性？
4. 分析直流四探针法测量半导体材料电阻率的基本原理，并推导电阻率测量公式。

5. 如何选择合适的测量电流？
6. 测量电阻率误差的来源有哪些，如何修正？
二、少数载流子寿命测量实验：
1．什么是多数载流子？什么是少数载流子？
2. 什么是非平衡载流子？什么叫做光注入？
3. 为什么要测量并且一般只测量少数载流子寿命？
4. 少数载流子寿命的物理意义。

5．分析示波器显示曲线的变化规律，如何利用其测量少子寿命？6．影响少子寿命的因素有哪些。

三、X射线衍射分析晶体结构实验：
1.X射线的波长范围是多少，它是如何产生的？
2.简述X射线在近代物理学发展史上的重要地位及意义。

3.X射线在晶体中产生衍射的条件？
4.X射线在晶体中产生的衍射方向和衍射强度分别取决于什么？
5.X射线衍射仪包括哪几个主要部分，各自基本工作原理是什么？
6.实验基本操作步骤如何，为什么实验中要首先打开并保证冷却水
运行？
7.为什么我们在使用X射线衍射仪进行晶体结构分析实验时最好使
用粉末样品？
8.如何根据被测样品的衍射图谱确定其物相？。

半导体物理实验——四探针法测半导体材料电阻四探针法的原理是将四个探针分别接触到半导体材料的表面，在一个恒定的电流下测量电压的变化，从而计算出材料的电阻。

与传统的两探针法相比，四探针法排除了接触电阻对电阻测量的干扰，从而得到更为准确的结果。

在进行实验之前，需要准备好以下器材和器件：半导体样品、四探针测试仪、示波器、多用途电源等。

首先，将半导体样品放置在四探针测试台上，保证样品表面平整。

接下来，使用四个探针将样品分别接触，确保四个探针之间的距离尽量相等，并且垂直于样品表面切面。

在接触探针的过程中，需要注意避免对样品造成损伤。

接触完四个探针后，将示波器和多用途电源连接到四探针测试仪上。

示波器用于测量电压的变化，而多用途电源则提供恒定的电流。

通过调节多用途电源的参数，可以使得流过样品的电流保持恒定。

开始实验之前，需要对四探针测试仪进行校准。

校准的目的是消除探针接触电阻的影响，确保测量结果的准确性。

校准时，将四个探针分别接触到一个已知电阻的样品上，通过测量电压和电流的变化来确定校准系数。

校准完成后，开始进行实际的测量。

首先，通过调节多用途电源的参数使得电流稳定在预定的数值。

然后，使用示波器测量电压的变化，并记录下来。

在测量过程中，可以逐渐调节电流的数值，以获得多组测量数据，从而提高测量结果的可靠性。

测量完成后，可以根据测得的电流和电压数据，计算出半导体样品的电阻。

根据四探针法的原理，可以得到以下公式：电阻率ρ = (π/ln2) × (d/U) × (U/I)其中，d是四个探针之间的距离，U是电压的变化值，I是电流的恒定值。

除了电阻率，四探针法还可以用来计算半导体材料的载流子浓度。

载流子浓度是半导体材料性能的重要指标之一，在半导体器件研发和生产过程中有着广泛的应用。

通过四探针法测量半导体材料的电阻，可以得到材料的电学性质信息，为半导体器件的设计和制造提供重要的依据。

实验人员可以根据实验结果，进一步探究半导体材料的物理特性，并优化材料的制备工艺，提高器件的性能。

实验一：四探针法测量半导体电阻率1、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2、实验仪器XXXX 型数字式四探针测试仪；XXXX 型便携式四探针测试仪；硅单晶；3、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V 23。

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 ，电流密度为2/2jI r（1）根据电流密度与电导率的关系j E 可得2222jI I Err（2）距离点电荷r 处的电势为2I Vr（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 Cr r r r II（4）式中，11224133411112()Cr r r r 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1232311112()222V V SSSSSII（5）此即常见的直流等间距四探针法测电阻率的公式。

利用直流四探针法测量半导体的电阻率一,测试原理:当四根金属探针排成一条直线,并以一定压力压在半导体材料上时,在1,4两根探针间通过电流I,则2,3探针间产生电位差V(如图所示).根据公式可计算出材料的电阻率:其中,C为四探针的探针系数(cm),它的大小取决于四根探针的排列方法和针距. 二,仪器操作:(一)测试前的准备:1,将电源插头插入仪器背面的电源插座,电源开关置于断开位置;2,工作方式开关置于"短路"位置,电流开关处于弹出位置;3,将手动测试架的屏蔽线插头与电气箱的输入插座连接好;4,对测试样品进行一定的处理(如喷沙,清洁等);5,调节室内温度及湿度使之达到测试要求.(二)测试:首先将电源开关置于开启位置,测量选择开关置于"短路",出现数字显示,通电预热半小时.1,放好样品,压下探头,将测量选择开关置于"测量"位置,极性开关置于开关上方; 2,选择适当的电压量程和电流量程,数字显示基本为"0000",若末位有数字,可旋转调零调节旋钮使之显示为"0000";3,将工作方式开关置于"I调节",按下电流开关,旋动电流调节旋钮,使数字显示为"1000",该值为各电流量程的满量程值;4,再将极性开关压下,使数显也为1000±1,退出电流开关,将工作方式开关置于1或6.28处(探头间距为1.59mm时置于1位置,间距为1mm时置于6.28位置);(调节电流后,上述步骤在以后的测量中可不必重复;只要调节好后,按下电流开关,可由数显直接读出测量值.)5,若数显熄灭,仅剩"1",表示超出该量程电压值,可将电压量程开关拨到更高档;6,读数后,将极性开关拨至另一方,可读出负极性时的测量值,将两次测量值取平均数即为样品在该处的电阻率值.三,注意事项:1,压下探头时,压力要适中,以免损坏探针;2,由于样品表面电阻可能分布不均,测量时应对一个样品多测几个点,然后取平均值; 3,样品的实际电阻率还与其厚度有关,还需查附录中的厚度修正系数,进行修正.1. 在测容性负载阻值时，绝缘输出短路电流大小与测量数据有什么关系，为什么? 绝缘输出短路电流的大小可反映出该兆欧表内部输出高压源内阻的大小。

实验三 四探针法测量半导体电阻率、薄层电阻一. 实验目的与意义电阻率是半导体材料的重要电学参数，它能反映半导体内浅能级替位杂质的浓度。

薄层电阻是用来表征半导体掺杂浓度的一个重要工艺参数，也可用来表示半导体薄膜的导电性。

测量电阻率和薄层电阻的方法有很多种，如二探针法、扩展电阻法等。

而四探针法是目前广泛采用的标准方法，它具有操作方便，精度较高，对样品的几何形状无严格要求等优点。

本实验的目的是使学生掌握四探针法测量半导体电阻率和薄层电阻原理、方法；熟悉四探针测试仪；并能针对半导体样品的不同几何尺寸进行测量数值的修正。

二. 实验原理设样品电阻率ρ均匀，样品几何尺寸相对于探针间的距离可看成半无穷大。

引入点电流源的探针其电流强度为I ，则所产生的电力线有球面对称性，即等位面是以点电流源为中心的半球面，如图3-1所示。

在以r 为半径的半球上，电流密度j 的分布是均匀的。

图3-1 探针与被测样品接触点的电流分布22rIj π=（3-1） 若E 为r 处的电场强度，则22r I j E πρρ== (3-2) 取r 为无穷远处的电位ф为零，并利用 drd E φ-=，则有：⎰⎰⎰∞∞-=-=)(022r rr r drI Edr d ϕπρϕ （3-3） ()rIr πρφ2=（3-4） Ir式（3-2）就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离r 的点的电位与探针流过的电流和样品电阻率的关系式，它代表了一个点电流对距离为r 处的点的电势的贡献。

图3-2 四根探针与样品接触示意图对于图3-2所示的情形，四根探针位于样品中央，电流从探针１流入，从探针４流出，则可将1和４探针认为是点电流源，由式（3-3）得到探针２和３的电位为：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=24122112r r I πρϕ (3-5)⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=34133112r r I πρϕ (3-6) 探针２、3电位差为：3223ϕϕ-=V ，由此得出样品电阻率为：I V C r r r r I V 231341324122311112=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+--=-πρ （3-7） 式(3-7)就是利用直流四针探法测量电阻率的普遍公式。