四端开尔文测量法
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半导体开尔文测试原理引言:半导体开尔文测试原理是一种用于测量半导体材料电阻的方法。
通过该原理,可以准确地测量出半导体材料的电阻值,从而了解其电导性能。
本文将详细介绍半导体开尔文测试原理的基本概念、测量方法和应用领域。
一、基本概念半导体开尔文测试原理是基于开尔文电桥原理的一种测试方法。
开尔文电桥是一种用于精确测量电阻的电路,它通过对被测电阻进行四点测量,消除了连接电阻的影响,从而得到准确的电阻值。
半导体开尔文测试原理就是将开尔文电桥应用于半导体材料的电阻测量中。
二、测量方法半导体开尔文测试的主要步骤如下:1. 准备工作:选择合适的测试仪器,如开尔文电桥或四线法测试仪。
同时,确保被测半导体材料表面清洁、平整,以保证测量结果的准确性。
2. 四点测量:将开尔文电桥的两个测量电极接触到被测半导体材料上,另外两个电极用于测量电流。
通过施加恒定电流,测量电压差,并计算出电阻值。
3. 数据处理:根据测得的电阻值,进行数据处理和分析。
可以通过计算、绘制曲线等方式,进一步了解半导体材料的电导性能。
三、应用领域半导体开尔文测试原理在半导体材料研究和工业生产中有着广泛的应用。
主要包括以下几个方面:1. 材料研究:通过测量半导体材料的电阻,可以了解其电导性能和导电机制,为新材料的开发和研究提供重要数据。
2. 半导体器件测试:在半导体器件的生产过程中,需要对电阻进行测试,以保证产品质量和性能。
3. 故障分析:当半导体器件出现故障时,可以通过半导体开尔文测试原理来定位故障点,并进行修复。
4. 质量控制:对于批量生产的半导体材料或器件,通过半导体开尔文测试原理进行质量控制,可以保证产品的稳定性和一致性。
结论:半导体开尔文测试原理是一种准确测量半导体材料电阻的方法。
通过该原理,可以得到被测半导体材料的电阻值,进而了解其电导性能。
在半导体材料研究、器件测试、故障分析和质量控制等领域,半导体开尔文测试原理都有着广泛的应用前景。
通过不断的研究和发展,相信半导体开尔文测试原理将为半导体技术的进步和应用提供更多的支持。
大学物理设计性实验课程名称大学物理设计性实验辅导教师岳明专业班级资源0942姓名李飞学号******** 12日期2010 年11 月日开尔文双电桥测低电阻一、前言电阻是电路的基本元件之一,电阻值的测量是基本的电学测量。
电阻的分类方法很多,通常按种类划分称碳膜电阻、金属电阻、线绕电阻等:按特性划分称固定电阻、可变电阻、特种电阻(光敏电阻,压敏电阻,热敏电阻)等;按伏安特性曲线(电压~电流曲线)的曲直分为线性电阻和非线性电阻(典型非线性电阻有白炽灯泡中的钨丝、热敏电阻、光敏电阻、半导体二极管和三极管等);按阻值大小分为低电阻、中电阻和高电阻。
常用电阻属于中电阻,其测量方法很多,多数也为大家所熟知。
而随着科学技术的发展,常常需要测量高电阻与超高阻(如一些高阻半导体、新型绝缘材料等),也还需要测量低电阻与超低阻(如金属材料的电阻、接触电阻、低温超导等),对这些特殊电阻的测量,需要选择合适的电路,消除电路中导线电阻、漏电电阻、温度等的影响,才能把误差降到最小,保证测量精度。
电桥法是一种用比较法进行测量的方法,它是在平衡条件下将待测电阻与标准电阻进行比较以确定其待测电阻的大小。
电桥法具有灵敏度高、测量准确加上方法巧妙,使用方便、对电源稳定性要求不高等特点,已被广泛地应用于电工技术和非电量电测中。
二、实验目的1.了解双电桥测低电阻的原理及对单电桥的改进;2.学习使用QJ19型双电桥、电子检流计;学习电桥测电阻不确定度的计算,三、实验原理(1)开尔文双电桥的解决办法:开尔文电桥是惠斯通电桥的变形,在测量小阻值电阻时能给出相当高的准确度。
其结构如图3所示,为被测低电阻,其中R1、R2、R3、R4均为可调电阻,RX为低值标准电阻。
图3RN与惠斯通单电桥对比,开尔文电桥做了两点重要改进....:①增加了一个由R2、R4组成的桥臂。
②R N 和R X 由两端接法改为四端接法。
其中P 1P 2构成被测低电阻R X ,P 3P 4是标准低电阻R N ,P 1P 2 、P 3P 4常被称为为电压接点,C 1C 2、C 3C 4称为电流接点。
开尔文电桥的工作原理
开尔文电桥的定义
开尔文电桥又称“双臂电桥”,是一种利用电位比较的方法进行测量的仪器,具有很高的灵敏度和准确性,在电测技术和自动控制测量应用极为广泛。
而开尔文电桥又是惠斯通电桥的变形,在测量小阻值电阻(通常《1欧)时具有相当高的准确度,适于测量10-5~10Ω低阻值电阻。
1862年英国的W.汤姆孙在研究利用单比电桥测量小电阻遇到困难时,发现引起测量产生较大误差的原因是引线电阻和连接点处的接触电阻。
这些
电阻值可能远大于被测电阻值。
因此,他提出了如图1所示的桥路,被称为
汤姆孙电桥。
后因他晋封为开尔文勋爵,故又称开尔文电桥。
图中R3、R4
分别是标准电阻与被测小电阻器,R1、R2是形成所需比值的两桥臂。
r是跨线电阻(包括R3、R4两电阻器间的引线电阻、接触电阻及内部连线电阻)。
为获得准确的测量结果,消除r的影响,须将r按R1和R2的同样比例分配给R3和R4,R姈和R娦就是为此目的而设置的。
在电桥调平衡时,应保直流电桥持R姈、R娦的比值一直与R1R2的比值相等。
由于这一特点,这种桥路又称双比电桥。
所测电阻值可低到毫欧级或更小。
根据双比电桥原
理又发展出史密斯电桥,三平衡电桥和四跨线电桥等,使得采用桥路测小电
阻的理论与实践臻于完善。
电阻的高精度测试(四线开尔文测试)以下内容均为个人根据多年军品级电阻夹具设计、测试设备设计经验得出的一些知识以用于分享,对不正确有偏差的部分欢迎交流。
对于分立元件,阻容感是最常见最基本的元件,随着科学技术以及社会需求的发展,各类电子产品都呈现出模块化、集成化、小型化、低功耗的方向发展,模块化便于组装、维修更换,集成化便于多个功能集合于一体,小型化便于最终产品做出来空间更小,低功耗便于节能。
对于电阻类产品,主要参数为电阻值、功率、电阻温漂系数等,针对不同材料及工艺,电阻各个参数性能差异大,同时也在不同应用领域有着不同的作用,典型的比如普通陶瓷厚膜、薄膜电阻,在使用时设计人员都希望其阻值精度高,而温漂系数越低越好,这代表着电阻在不同温度下其阻值变化越小,例如在电源控制中,电源模块工作发热时或使用环境温度高时电阻阻值几乎不变,这样情况下电源稳定性兼容性更好,而对于测温领域的热敏电阻,则是希望温漂系数变化较大,与电阻值形成一定的比例关系,实时监控电阻的阻值,通过该比例关系换算出当时的温度,最常见的铂电阻PT100、PT1000。
所以根据不同使用环境,对电阻的不同参数要求不一样。
本次谈一下陶瓷电阻,现工艺主要为薄膜、厚膜这两种工艺,如果简单描述此类电阻的生产工艺就是:在陶瓷基板上印刷上一层有规则图形的金属浆料,一般在一块基板上印刷N多个电阻尺寸的图形或线条,再将该陶瓷基板根据单个电阻尺寸进行划片,划片后再经过激光调阻,把每一个电阻的阻值进行测试,通过激光将陶瓷基板上的浆料去除掉以得到想要的阻值,再将每个电阻分割下来,每个陶瓷片的两端进行金属化,然后将每个电阻片中间的金属浆料上增加玻璃釉,这样电阻就成形了(其它细节工艺暂不阐述)。
对于电阻的阻值,常规分为低阻、中阻、高阻,从电阻生产、分销行业内,从10Ω至2MΩ称为中阻,高于这个范围的为高阻,低于这个范围的称为低阻,对于中阻产品使用频率最高,其生产成本分摊下来也较低,一般售价几厘钱或几毛钱一颗,而对于mΩ、GΩ、TΩ级别的电阻,都要几块几十甚至几百一颗。
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,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(R wire)连接的欧姆表被测量组件(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。
低阻四线测试原理内部编号:(YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128)
1、普通二线测试原理
通常的开短路测试方法即为普通二线测试,如下图所示,二线测试是目前普遍应用的一种方案。
二线测试只有一个回路,所测得的阻抗为R1+R2+Rpcb,即所测得的阻抗为馈线电阻和待测线路阻值之和,故无法精确测定被测PCB 之低阻值。
但因为开路测试的条件一般为20Ω,故馈线电阻影响不大,可以忽略不计。
二线测试的精度虽然不高,但是用来判断线路的开短路已经能满足绝大部分的印制线路板的需要。
但仅适用于完全断线、完全孔断之测试,对于低阻值测试则无能为力。
2、低阻四线测试原理
开尔文连接方式(或称四线测试方式)如下图所示,开尔文连接有两个要求:对于每个测试点都有一条激励线和一条检测线,二者严格分开,各自构成独立回路;同时要求检测线必须接到一个有极高输入阻抗的测试回路上,使流过检测线的电流极小,近似为零。
激励线即是电流供给回路,检测线即是电压测定回路,电流、电压两回路各自独立。
电流供给回路两端子与电压测定回路两端子共计四端子,故称四线测试。
V≒I1 x Rpcb(因I2 (小电流)再乘上小电阻得到更小的压降),因电压表的内部阻抗非常高(MΩ级),远远大于电压测定回路的馈线电阻R3 和R4(Ω级),使得几乎全部的电流流经过Rpcb,流经电压表的电流I2 几乎为零,故所量到的电压也几乎是Rpcb 本身的压降,馈线电阻完全可以忽略,使所测得的
Rpcb 几乎近似于Rpcb 本身,由此可精确测定被测PCB 之微小阻值,其四线测试的测试精度可达到mΩ级。
开尔文电桥测电阻及用visual basic处理测量数据开尔文电桥是一种用于测量电阻的仪器,它可以通过比较未知电阻与已知电阻的电压差来确定未知电阻的值。
在实际应用中,我们通常需要将测量到的数据进行处理和分析,以便更好地理解和利用这些数据。
在本文中,我们将介绍如何使用开尔文电桥测量电阻,并使用Visual Basic对测量数据进行处理。
一、开尔文电桥测电阻开尔文电桥由四个电阻组成,分别为P、Q、R、S。
其中P和Q为已知电阻,R为未知电阻,S为可变电阻。
开尔文电桥的原理是利用电桥平衡条件,即P/Q=R/S,来测量未知电阻R的值。
具体操作步骤如下:1. 将开尔文电桥连接到待测电阻上,使其成为电桥的一部分。
2. 调节可变电阻S,使电桥平衡,即P/Q=R/S。
3. 测量P和Q之间的电压差,即为已知电阻的电压差。
4. 测量R和S之间的电压差,即为未知电阻的电压差。
5. 根据电桥平衡条件,计算出未知电阻R的值。
二、用Visual Basic处理测量数据在实际应用中,我们通常需要将测量到的数据进行处理和分析,以便更好地理解和利用这些数据。
下面我们将介绍如何使用Visual Basic 对测量数据进行处理。
1. 打开Visual Basic软件,创建一个新的工程。
2. 在工程中添加一个文本框控件和一个按钮控件。
3. 在按钮的Click事件中编写代码,实现对测量数据的处理和显示。
4. 在代码中,首先读取文本框中输入的数据,然后进行计算,最后将结果显示在文本框中。
5. 保存工程并运行程序,输入测量数据并点击按钮,即可得到处理后的结果。
下面是一个简单的Visual Basic程序示例:Private Sub Command1_Click()Dim P As Double, Q As Double, R As Double, S As DoubleP = CDbl(Text1.Text1)Q = CDbl(Text2.Text2)S = CDbl(Text3.Text3)R = P * S / QText4.Text4 = REnd Sub在这个程序中,我们假设已知电阻P为100欧姆,已知电阻Q为200欧姆,可变电阻S为300欧姆。
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。
F our Point Probe I-V Electrical Measurements Using the Zyvex T est System Employing a Keithley 4200 Jeff Hochberg and Phil Foster, Zyvex CorporationIntroductionIt is difficult to electrically characterize very small circuitelements in current-generation semiconductors. Most modernprober systems have unacceptably large metal pad requirementsin order to effect such measurements, and unwieldy manualmechanical probe stations with optical microscopes cannotresolve fine features. With standard gate dimensions of lessthan 90 nm and space budgets shrinking continuously, thesmallest probe pad dimensions required for most probersystems remain fixed at about 50 microns. This limitation islargely the result of the inaccuracy of probe movements andthe size of the actual probe tips. The Zyvex Test System isdesigned to overcome these limitations by offering 5 nmmovement precision with probe tip diameters less than 20nm, and current-measuring capability down to 1 pA.For general purpose resistance measurements and I-V curve generation, 2-point electrical measurements are normally used. However, when the resistance being measured is relatively low, or the resistance of the probes or the contacts is relatively high, a 4-point probe will yield more accurate results. The Zyvex Test System employs a Zyvex S100 Precision Manip-ulator System and a Keithley Model 4200 Semiconductor Characterization System, with a measurement resolution of 100 fA. With a combined system noise floor below 55 fA RMS, current measurements of 1pA are readily achievable. Theory of 2-Point MeasurementsOhm’s law is used in order to determine a resistance: R=V/I.A known current is sourced and flows through the unknown resistance. We measure the voltage that develops across the resistance by dividing the measured voltage by the sourced current. A problem that occurs when using a 2-wire setup is that the voltage is measured not only across the resistance in question, but also includes the resistance of the leads and contacts (Figure 1). When using an ohmmeter to measure resistances above a few ohms, this added resistance is usually Figure 1 2-point measurementR1 = Rlead1 + Rcontact1R2 = Rlead2 + Rcontact2Vsense = I * (R1 + Rdut + R2)IforceVR1R2RdutVsensezyvexnot a problem. However, when measuring low resistances or when contact resistance may be high, obtaining accurate results with a two wire measurement could be a problem. Theory of 4-Point MeasurementsA solution to the problem of 2-point measurements in which the lead and contact resistance is measured along with that of the device under test (DUT) is the 4-wire or “Kelvin”measurement. Because a second set of probes is used for sensing and since negligible current flows in these probes, only the voltage drop across the device under test is measured (Figure 2). As a result, resistance measurement or I-V curve generation is more accurate.BackgroundThe Zyvex Test System is a positioning and testing tool for micro- and nanoscale research and development applications. It accommodates up to four positioners (three-dimensional stages) which grasp, move, test, and optimally position micro-and nanoscale samples in Scanning Electron Microscopes (SEMs) and Focused Ion Beam Systems (FIBS).The Zyvex Test System employs a Keithley Model 4200 Semiconductor Characterization System (SCS) which is an automated instrument designed to provide IV and CV characterization of semiconductor devices and test structures. Its advanced digital sweep parameter analyzer combines speed and accuracy for deep sub-micron characterization. T ests are easily and quickly configured and run from the Keithley Interactive T est Environment (KITE). KITE is an application program designed and developed specifically for characterizing semiconductor devices and materials. Source and measurement functions for a test are provided by up to eight Source-Measure Units (electronic instruments that source and measure DC voltages and currents). Test capabilities are extended by support of a variety of external components. For less precise measurement and testing applications, other Keithley instruments may be employed to configure the system more closely to the requirement.Preparation and TestingTo implement a 4-point measurement (Figure 3), all 4 positioners of the test system are used. Each positioner controls a single probe. The probes are positioned in a line on the DUT. The outer and inner probes that are closest to each other on the DUT connect to the same Source-Measure Unit (SMU). The outer probe connects to the force terminal onR3 = Rlead3 + Rcontact3R2 = Rlead4 + Rcontact4Vsense = VR5 + I * Rdut + VR6Because I_vm = 0, Vmeas = I * RdutIforceR3R6R4VsenseRdutVR5I_vmFigure 2 4-point measurement4200SMU1SMU2SENSE1SENSE2FORCE1FORCE2TRIAX COAXCOAXTRIAX<->ADAPTEREITHER PATCH PANELOR BNC BREAKOUTS(SEE S100 BLOCK DIAGRAM)S100 HEAD IN SEM CHAMBERPOSITIONER2PROBE2PROBE1POSITIONER1POSITIONER4PROBE4PROBE3POSITIONER3DEVICEUNDERTESTFigure 3 Schematic diagram of Zyvex S100 test head with Keithley 4200zyvexthe SMUs; the inner probe connects to the sense terminal on the SMU.Because the Zyvex test head employs coaxial cables and the 4200 uses triaxial cables, an adapter is required. The signal lines of the coax and triax cables should be tied together and the shields should be tied to each other as well. The guard of the triax is left open. Keithley’s #237-BNC-TRX adapters can be used. Caution should be used with other adapters because they may not interface between the coax and triax cables in the same way. Note that the connections between the 4200 and S100 can be made at the patch panel rack or on the BNC breakouts (Figure 4).The Keithley Interactive T est Environment (KITE) program on the 4200 is used to run the test. The “4-point” interactive test module which is found in the KITE folder titled 2 wire-resistor can be used to generate results for the I-V curve. This is a pre-configured routine that implements 4-point measure-ments using 4 cables and 2 SMUs as described above. ConclusionThe Zyvex Test System is an effective measurement tool for IV characterization of nanoscale components. With 4-point probe capability, 1pA accuracy, and 5 nanometer precision movement, the system offers a unique combination of features that are ideal for semiconductor characterizations. References1.Cable/Harness T esting Made Easy™: / testing/resistance/fourwire.html2.Zyvex S100 System Manual3.Keithley Low Level Measurements 5th Edition4.Keithley 4200-SCS Semiconductor Characterization System Reference Manual5.Keithley 4200-SCS Semiconductor Characterization System User’s Manual S100 BLOCK DIAGRAMPATCH PANEL(BNC CONNECTIONS)BNCBREAKOUTSS100HEADFigure 4 S100 block diagramzyvex。