四点探针测试技术剖析

四探针法测量半导体的电阻率一、实验目的1、了解四探针电阻率测试仪的基本原理；2、了解的四探针电阻率测试仪组成、原理和使用方法；3、能对给定的物质进行实验，并对实验结果进行分析、处理。

二、实验原理1.电阻的测量电性能是材料的重要物理性能之一，材料导电性的测量就是测量试样的电阻或电阻率。

电阻的测量方法很多，若精度要求不高，常用兆欧表、万用表、欧姆表及伏安法等测量；若精度要求比较高或阻值在10-6～102Ω的材料电阻（如金属或合金的阻值）测量时，需采用更精密的测量方法。

常用的几种方法如下：①双臂电桥法：根据被测量与已知量在直流桥式线路上进行比较而得出测量结果，其精确测量电阻范围为10-6～10-3Ω，误差为0.2～0.3%。

缺点：受环境温度影响较大。

②直流电位计测量法：一种比较法测量电动势，通过“串联电路中电压与电阻成正比”计算得出电阻。

其可测量10-7V微小电动势。

优点：导线和引线电阻不影响测试结果。

③直流四探针法：主要用于半导体或超导体等低电阻率的精确测量。

④冲击检流计法：主要用于绝缘体电阻的测量，将待测电阻与电容器串联，用冲击检流计测量电容器极板上的电量。

通过检流计的偏移量来计算待测电阻，可测得绝缘体电阻率高达1015～1016Ω·cm。

2.电阻率的测量电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量，某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的在常温下（20℃时）导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。

它反映物质对电流阻碍作用。

电阻率是半导体材料的重要电学参数之一，硅单晶的电阻率与半导体器件的性能有密切联系。

因此电阻率的测量是半导体材料常规参数测量项目之一。

测量电阻率的方法很多，如二探针法、扩展电阻法等。

而四探针法则是目前检测半导体电阻率的一种广泛采用的标准方法。

它具有设备简单、操作方便、精度较高、对样品的几何形状无严格要求等优点。

3.直流四探针法测试原理①体电阻率测量：当1、2、3、4根金属探针排成直线时，并以一定的压力压在半导体材料上，在1、4两处探针间通过电流I，则2、3探针间产生电位差V。

四探针测试原理四探针测试（Four-point probe），也被称为四探针电阻测量法，是一种用于测量电导率和电阻的常用方法。

通过使用四个细尖探针接触材料表面，可以准确测量材料的电学性质。

本文将介绍四探针测试的原理以及其应用领域。

一、原理四探针测试的原理基于电流和电压之间的关系。

在传统的两探针测试中，只需要两个探针接触样品表面，但这种方法不能准确测量电阻，因为接触电阻会引入误差。

四探针测试则通过使用额外的两个探针来补偿接触电阻的影响，从而提高了测量的准确性。

四个探针分布在一个平面上，形成一个矩形或正方形的排列。

两个外侧的探针被称为“当前探针”，它们提供电流，并通过被测物体的表面传输电流。

两个内侧的探针被称为“电压探针”，它们用于测量在材料上形成的电压差。

在测试过程中，电流探针提供电流，通过被测材料流动，而电压探针则用于测量电压差。

根据欧姆定律，电阻可以通过测量电流和电压之间的比值来计算。

由于电流探针之间的距离相等且小于电压探针之间的距离，四探针测试可以减小接触电阻产生的误差。

因此，四探针测试可以提供更准确的电阻测量。

二、应用领域四探针测试在许多领域中都有重要的应用，特别是在材料科学和半导体领域。

以下是几个常见的应用领域：1. 材料科学：四探针测试可以用于测量材料的电阻率和导电性。

它被广泛用于研究不同材料的电学性质，以及评估材料的品质和一致性。

2. 半导体材料：四探针测试在半导体器件分析中具有重要作用。

它可以用来测量半导体材料的片内电阻和薄膜材料的电阻。

3. 导电薄膜：四探针测试可以测量导电薄膜的电阻率和薄膜的均匀性。

这对于制备导电薄膜和薄膜材料的性能优化至关重要。

4. 纳米材料：由于纳米材料的尺寸小，传统的两探针测试失效。

四探针测试可以在纳米材料的表面进行非破坏性电阻测量。

总结：四探针测试是一种准确测量电导率和电阻的方法。

通过使用四个探针接触材料表面，可以消除接触电阻造成的误差，提高测量的准确性。

开尔文四线检测Kelvin Four-terminal sensing开尔文四线检测（Kelvin Four-terminal sensing）也被称之为四端子检测（4T检测，4T sensing）、四线检测或4点探针法，它是一种电阻抗测量技术，使用单独的对载电流和电压检测电极，相比传统的两个终端（2T）传感能够进行更精确的测量。

开尔文四线检测被用于一些欧姆表和阻抗分析仪，并在精密应变计和电阻温度计的接线配置。

也可用于测量薄膜的薄层电阻。

四线检测的关键优点是分离的电流和电压的电极，消除了布线和接触电阻的阻抗。

四线检测感应也被称为开尔文（Kelvin）检测，威廉·汤姆森·开尔文勋爵（William Thomson, Lord Kelvin）在1861年发明的开尔文电桥测量低电阻。

每两线连接，可以称得上是Kelvin连接。

原理假设我们希望一些组件位于一个显着的距离从我们的欧姆表测量电阻。

这种情况下会产生问题，）连接的欧姆表被测量组件因为欧姆表测量所有的电路回路中的电阻，它包括导线的电阻（Rwire（R）：subject通常情况下，导线的电阻是非常小的（仅几欧姆的导线上的压力表（大小），主要取决于每数百英尺），但如果连接线很长，和/或待测组分有一个非常反正低电阻，引入线电阻测量误差将是巨大的。

在这样的情况下的电阻测量主体的一个巧妙的方法，涉及的电流表和电压表的使用。

我们知道，从欧姆定律，电阻等于电压除以电流（R = E / I）。

因此，我们应该能够确定电阻的主体成分，如果我们测量的电流通过，并且两端的电压下降电流在电路中的所有点相同，因为它是一个串联回路。

因为我们只测量电压下降的整个主体电阻（而不是导线的电阻）。

不过，我们的目标，是从远处来衡量这个主题性，所以我们必须位于电压某处附近电流表，由另一对含有电阻的导线跨接受阻力：起初，我们似乎已经失去了任何电阻测量这种方式的优点，因为现在电压表测量电压通过长着一双引入杂散电阻（电阻）线，再次进入测量电路。

四探针法测量电阻率和薄层电阻一、引言电阻率是半导体材料的重要参数之一。

电阻率的测量方法很多，如三探针法、霍尔效应法、扩展电阻法等。

四探针法则是一种广泛采用的标准方法，其主要优点在于设备简单、操作方便、精确度高、对样品的几何尺寸无严格要求。

不仅能测量大块半导体材料的电阻率，也能测量异形层、扩散层、离子注入层、外延层及薄膜半导体材料的电阻率，因此在科学研究及实际生产中得到广泛利用。

二、实验目的1．掌握四探针法测量半导体材料电阻率和薄层电阻的原理及方法；2. 了解四探针测试仪的结构、原理和使用方法。

三、实验原理1. 体电阻率测量假定一块电阻率ρ均匀的半导体材料，其几何尺寸与测量探针的间距相比较可以看作半无穷大，探针引入的点电流源的电流强度为I 。

那么，对于半无穷大样品上的这个点电流源而言，样品中的等电位面是一个球面，如图1所示。

图1 半无穷大样品点电流源的半球等位面对于离开点电流源半径为r 的半球面上的P 点，其电流密度j 为22I j r π= （1） 式中，I 为点电流源的强度，22r π是半径为r 的半球等位面的面积。

由于P 点的电流密度与该点处的电场强度E 存在以下关系：()E r j ρ= （2）则： 2()()2I dV r E r j r drρρπ⋅=⋅==- （3） 设无限远处电位为零，即()0r V r →∞=，则P 点的电位可以表示为 ()()2rI V r E r dr rρπ∞=-=⎰ （4） 上式就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离为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源对距离r 处的点的电势的贡献。

图2 任意位置的四探针对图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（4）式可知，2和3探针的电位2V 、3V 分别为： 2122411()2I V r r ρπ=- （5） 3133411()2I V r r ρπ=- （6） 2、3探针的电位差为： 2323122413341111()2I V V V r r r r ρπ=-=--+ （7） 所以，样品的电阻率为： 1231224133421111()V I r r r r πρ-=--+ （8） 上式就是利用直流四探针法测量电阻率的普遍公式。

实验 四探针法测电阻率1．实验目的：学习用四探针法测量半导体材料的体电阻率和扩散薄层的电阻率及方块电阻。

2．实验内容① 硅单晶片电阻率的测量：选不同电阻率及不同厚度的大单晶圆片，改变条件（光照与否），对测量结果进行比较。

② 薄层电阻率的测量：对不同尺寸的单面扩散片和双面扩散片的薄层电阻率进行测量。

改变条件进行测量（与①相同），对结果进行比较。

3． 实验原理：在半导体器件的研制和生产过程中常常要对半导体单晶材料的原始电阻率和经过扩散、外延等工艺处理后的薄层电阻进行测量。

测量电阻率的方法很多，有两探针法，四探针法，单探针扩展电阻法，范德堡法等，我们这里介绍的是四探针法。

因为这种方法简便可行，适于批量生产，所以目前得到了广泛应用。

所谓四探针法，就是用针间距约1毫米的四根金属探针同时压在被测样品的平整表面上如图1a 所示。

利用恒流源给1、4两个探针通以小电流，然后在2、3两个探针上用高输入阻抗的静电计、电位差计、电子毫伏计或数字电压表测量电压，最后根据理论公式计算出样品的电阻率［１］IV C23=ρ 式中，C 为四探针的修正系数，单位为厘米，C 的大小取决于四探针的排列方法和针距，探针的位置和间距确定以后，探针系数C 就是一个常数；V 23为2、3两探针之间的电压，单位为伏特；I 为通过样品的电流，单位为安培。

半导体材料的体电阻率和薄层电阻率的测量结果往往与式样的形状和尺寸密切相关，下面我们分两种情况来进行讨论。

⑴ 半无限大样品情形图1给出了四探针法测半无穷大样品电阻率的原理图，图中(a)为四探针测量电阻率的装置；(b)为半无穷大样品上探针电流的分布及等势面图形；(c)和(d)分别为正方形排列及直线排列的四探针图形。

因为四探针对半导体表面的接触均为点接触，所以，对图１（b ）所示的半无穷大样品，电流I 是以探针尖为圆心呈径向放射状流入体内的。

因而电流在体内所形成的等位面为图中虚线所示的半球面。

于是，样品电阻率为ρ，半径为r ，间距为dr 的两个半球等位面间的电阻为dr r dR 22πρ=， 它们之间的电位差为 dr rIIdR dV 22πρ==。

开尔文四线检测Kelvin Four-terminal sensing开尔文四线检测（Kelvin Four-terminal sensing）也被称之为四端子检测（4T检测，4T sensing）、四线检测或4点探针法，它是一种电阻抗测量技术，使用单独的对载电流和电压检测电极，相比传统的两个终端（2T）传感能够进行更精确的测量。

开尔文四线检测被用于一些欧姆表和阻抗分析仪，并在精密应变计和电阻温度计的接线配置。

也可用于测量薄膜的薄层电阻。

四线检测的关键优点是分离的电流和电压的电极，消除了布线和接触电阻的阻抗。

四线检测感应也被称为开尔文（Kelvin）检测，威廉·汤姆森·开尔文勋爵（William Thomson, Lord Kelvin）在1861年发明的开尔文电桥测量低电阻。

每两线连接，可以称得上是Kelvin连接。

原理假设我们希望一些组件位于一个显着的距离从我们的欧姆表测量电阻。

这种情况下会产生问题，）连接的欧姆表被测量组件因为欧姆表测量所有的电路回路中的电阻，它包括导线的电阻（Rwire）：（Rsubject通常情况下，导线的电阻是非常小的（仅几欧姆的导线上的压力表（大小），主要取决于每数百英尺），但如果连接线很长，和/或待测组分有一个非常反正低电阻，引入线电阻测量误差将是巨大的。

在这样的情况下的电阻测量主体的一个巧妙的方法，涉及的电流表和电压表的使用。

我们知道，从欧姆定律，电阻等于电压除以电流（R = E / I）。

因此，我们应该能够确定电阻的主体成分，如果我们测量的电流通过，并且两端的电压下降电流在电路中的所有点相同，因为它是一个串联回路。

因为我们只测量电压下降的整个主体电阻（而不是导线的电阻）。

不过，我们的目标，是从远处来衡量这个主题性，所以我们必须位于电压某处附近电流表，由另一对含有电阻的导线跨接受阻力：起初，我们似乎已经失去了任何电阻测量这种方式的优点，因为现在电压表测量电压通过长着一双引入杂散电阻（电阻）线，再次进入测量电路。

四点探针仪的工作原理四点探针仪是一种用于表征材料电学特性的实验仪器。

它通常由四个电极组成，其中两个电极用作电流源，另外两个电极用于测量材料的电压响应。

四点探针仪通过测量四个电极之间的电压和电流之间的关系，可以确定材料的电阻率和电导率等电学特性。

四点探针仪的工作原理基于欧姆定律和电流分布规律。

欧姆定律表示电流通过一个导体时与导体两端的电压成正比。

电流分布规律则表示在导电材料中，电流在材料内部的分布不均匀，呈现高电流密度区域和低电流密度区域。

四点探针仪通过将电流注入材料中的两个电极，同时通过另外两个电极测量材料的电压响应，以减小电极导线的电阻对测量结果的影响。

具体的工作原理如下：1. 器件结构：四点探针仪通常由四个相互平行且等间距的电极组成，其中两个电极（A和B）用作电流注入电极，另外两个电极（C和D）用于测量材料的电压响应。

2. 电流注入：在工作时，四点探针仪的电流源会通过电极A和B注入一定大小的电流到被测材料中。

这个注入的电流可以是恒定电流或交流电流，具体取决于实验的要求。

3. 电压测量：通过电极C和D，四点探针仪测量材料上的电压响应。

电极C和D之间的电压差通过电压测量电路进行放大和测量，得到准确的电压数据。

4. 去除电极电阻的影响：为了减小电极导线的电阻对测量结果的影响，四点探针仪会选择相对小的电极间距，通常在毫米至厘米量级，以保持电流仅在被测材料中流动，而不会通过电极导线。

5. 数据处理：通过测量材料上的电压和注入的电流，可以利用欧姆定律计算出材料的电阻率或电导率。

根据电流分布规律，四点探针仪可以准确地测量材料内部的电子传输性质，而不会受到电极电阻的影响。

总结起来，四点探针仪通过将电流注入材料的两个电极，同时测量材料的电压响应，可准确测量材料的电阻率和电导率等电学特性。

通过采用四个独立的电极，四点探针仪能够减小电极电阻对测量结果的影响，从而提高测量结果的准确性。

这使得四点探针仪成为研究半导体、导电薄膜、导体材料等电学性质的重要工具。