下载文档原格式
实验三四探针法测试硅片的电阻率实验三四探针法测试硅片的电阻率一、实验目的1．理解非平衡载流子的注入与复合过程；2．了解非平衡载流子寿命的测量方法；2．学会光电导衰退测量少子寿命的实验方法。
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(?.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。
四探针方块电阻原理
四探针方块电阻原理是一种非常重要的表征材料电学性能的方法，广泛应用于物理、化学、材料等领域。
通过四探针原理，我们可以得到材料的电阻、导电性、膜的厚度等信息。
以下是对四探针方块电阻原理的详细介绍。
第一步，介绍仪器结构和工作原理：四探针仪器由四个平行排列的针头组成，针头间距相等且间隙很小。
除了外侧两个针头用于加电流和读取电压外，内侧的两个针头用于读取电压。
通过一个外部电源和一个电压检测仪器，可以将直流电流引入两个外侧针头中，并且每两个内侧针头之间的电势差可以测量。
第二步，讲解材料的准备。
研究材料必须是块状的，并且贴在平坦且一面打磨平整的表面上。
第三步，说明实验中的操作步骤。
首先，需将四探针放在材料上，四针头与材料表面垂直并紧密贴合。
接下来，通过电源引入设定好的直流电流，然后测量四个针头间的电势差。
电压计算公式为：V=IR。
其中，V是电压，I是电流，R是电阻。
第四步，分析结果。
通过测量四个针头间的电势差，可以计算出板材的电阻，导电性等信息。
其中，电阻随着材料的组成成分和结构变化而变化，因此可以测量不同条件下材料的电阻变化，进而研究材料结构和性能的关系。
总体来讲，四探针方块电阻原理在材料研究中起着重要作用。
通过这种方法，我们可以快速而准确地测量材料的电学性质，并进一步研究
不同条件下的材料差异，为物理、化学，材料等领域的研究提供更加准确、全面的数据。
扩散工艺培训一、扩散目的在P型衬底上扩散N型杂质形成PN结。
达到合适的掺杂浓度ρ/方块电阻R□。
即获得适合太阳能电池PN结需要的结深和扩散层方块电阻。
R□的定义：一个均匀导体的立方体电阻 ,长L，宽W，厚dR= ρ L / d W =(ρ/d) (L/W)此薄层的电阻与（L / W）成正比，比例系数为（ρ /d）。
这个比例系数叫做方块电阻，用R□表示：R□ = ρ / dR = R□（L / W）L= W时R= R□，这时R□表示一个正方形薄层的电阻，与正方形边长大小无关。
单位Ω/□，方块电阻也称为薄层电阻Rs在太阳电池扩散工艺中，扩散层薄层电阻是反映扩散层质量是否符合设计要求的重要工艺指标之一。
制造一个PN结并不是把两块不同类型（P型和N型）的半导体接触在一起就能形成的。
必须使一块完整的半导体晶体的一部分是P型区域，另一部分是N型区域。
也就是晶体内部形成P型和N型半导体接触。
目前绝大部分的电池片的基本成分是硅，在拉棒铸锭时均匀的掺入了B(硼)，B原子最外层有三个电子，掺B的硅含有大量空穴，所以太阳能电池基片中的多数载流子是空穴，少数载流子是电子，是P型半导体.在扩散时扩入大量的P(磷)，P原子最外层有五个电子，掺入大量P的基片由P型半导体变为N型导电体，多数载流子为电子,少数载流子为空穴。
在P型区域和N型区域的交接区域，多数载流子相互吸引，漂移中和，最终在交接区域形成一个空间电荷区，内建电场区。
在内建电场区电场方向是由N区指向P区。
当入射光照射到电池片时，能量大于硅禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中，在N区、耗尽区、P区激发出光生电子空穴对。
光生电子空穴对在耗尽区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被进入N区，光生空穴则被推进P区。
光生电子空穴对在N区产生以后,光生空穴便向PN结边界扩散，一旦到达PN结边界，便立即受到内建电场作用，被电场力牵引做漂移运动,越过耗尽区进入P区，光生电子(多子)则被留在N区。
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］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 它们之间的电位差为 dr r IIdR dV 22πρ==。
《四探针测试电阻率和方块电阻》的实验教案一、实验教学目的通过该实验，通过让学生测试不同样品的电阻率和方块电阻。
增强学生的实际动手能力，加深对电阻率和方块电阻的认识，为将来从事微电子相关的研究和测试方面的工作打好基础。
二、实验教学原理及要求1、实验教学原理电阻率是决定半导体材料电学特性的重要参数，它为自由载流子浓度和迁移率的函数。
半导体材料电阻率的测量方法有多种，其中四探针法具有设备简单、操作方便、测量精度高，以及对样品的形状无严格的要求等优点，是目前检测半导体材料电阻率的主要方法。
直线型四探针法是用针距为s （通常情况s=1mm ）的四根金属同时排成一列压在平整的样品表面上，如图1所示，其中最外部二根（图1中1、4两探针）与恒定电流源连通，由于样品中有恒电流I 通过，所以将在探针2、3之间产生压降V 。
图1测量方阻的四探针法原理对半无穷大均匀电阻率的样品，若样品的电阻率为ρ，点电流源的电流为I ，则当电流由探针流入样品时，在r 处形成的电势()r V 为()2r I V rρπ= ………………………(1) 同理，当电流由探针流出样品时，在r 处形成的电势()r V 为()2r I V rρπ=-………………………(2) 可以看到，探针2处的电势2V 是处于探针点电流源+I 和处于探针4处的点电流源-I 贡献之和，因此：211()22I V s sρπ=- ………………… (3) 同理，探针3处的电势3V 为311()22I V s sρπ=-…………………… (4) 探针2和3之间的电势差23V 为23232I V V V sρπ=-=……………….. (5) 由此可得出样品的电阻率为 232V s Iρπ=………………………. (6) 从式（1）至式（6），对等距直线排列的四探针法，已知相连探针间距s ，测出流过探针1和探针4的电流强度I 、探针2和探针3之间的电势差23V ，就能求出半导体样品的电阻率ρ。
SDY-5型双电测四探针测试仪技术说明书一、概述二、技术指标三、测量原理四、仪器结构说明五、使用方法六、注意事项七、打印机操作方法一、概述SDY-5型双电测四探针测试仪采用了四探针双位组合测量新技术，将范德堡测量方法推广应用到直线四探针上，利用电流探针、电压探针的变换，进行两次电测量，能自动消除样品几何尺寸、边界效应以及探针不等距和机械游移等因素对测量结果的影响。
因而不必知道探针间距，样品尺寸及探针在样品表面上的位置。
由于每次测量都是对几何因素的影响进行动态的自动修正，因此显著降低了几何因素影响，从而提高了测量准确度。
用目前大量使用的常规四探针测量方法所生产的仪器是根本办不到的。
使用本仪器测量时，由于不需要进行几何边界条件和探针间距的修正，因而对各种形状的薄膜材料及片状材料有广泛的适用性。
仪器适用于测量片状半导体材料电阻率及硅扩散层、离子注入层、异型外延层等半导体器件和液晶片导电膜、电热膜等薄层（膜）的方块电阻。
仪器以大规模集成电路为核心部件，并应用了微计算机技术。
利用HQ-710F型微计算机作为专用测量控制及数据处理器，使得测量、计算、读数更加直观、快速，并能打印全部预置和测量数据。
二、技术指标1.测量范围：硅片电阻率：0.01—200Ω.cm (可扩展)薄层电阻：0.01—2000Ω/口(可扩展)(方块电阻)可测晶片直径：最大直径100 mm(配J-2型手动测试架)200 mm(配J-5型手动测试架)可测晶片厚度：≤ 3.00 mm2.恒流电源:电流量程分为100μm、1mA、10mA、100mA四档。
各档电流连续可调。
稳定度优于0.1% 3.数字电压表:量程：0-199.99mV；分辨率：0.01 mV显示：四位半红色发光管数字显示.极性、小数点、超量程自动显示。
精度：±0.1%4.模拟电路测试误差:(用1、10、100、1000Ω精密电阻)≤±0.3%±1字5. 整机准确度:(用0.01—200Ω.cm 硅标样片测试)<5%6. 微计算机功能:(1)键盘控制测量取数,自动控制电流换向和电流、电压探针的变换，并进行正、反向电流下的测量，显示出平均值。
（完整版）四探针法测方块电阻的原理
四探针法测方块电阻的原理
四探针法是一种简便的测量电阻率的方法。
对于一般的线性材料，我们常常用电阻来表征某一段传输电流的能力，其满足以下关系式：s l
R (式3-1)
其中ρ、l 和s 分别表示材料本身的电阻率、长度和横截面积。
对于某种材料ρ
满足关系式：
1)(h h n e q n q n (式3-2)
n e 、n h 、u n 、u h 和q 分别为电子浓度、空穴浓度、电子迁移率、空穴迁移率和基本电荷量。
对于具有一定导电性能的薄膜材料，
其沿着平面方向的电荷传输性能一般用方块电阻来表示，对于边长为
l 、厚度为x j 方形薄膜，其方块电阻可表示为：R j j x lx l s l
(式3-3)
即方块电阻与电阻率ρ成正比，与膜层厚度j x 成反比，而与正方形边长l 无关。
方块电阻一般采用双电测电四探针来测量，测量装置如图
3-4所示。
四根由钨丝制成的探针等间距地排成直线，彼此相距为s (一般为几个mm)。
测量时将针尖压在薄膜样品的表面上，外面两根探针通电流I(一般选取0.5~2mA)，里面的两探针用来测量电压V ，通常利用电位差计测量。
图3-4 双电测电四探针测量薄膜方块电阻结构简图
当被测样品的长度和宽度远远大于探针间距，薄膜方块电阻具体表达式为：
R □I V
c (式3-4)
即薄膜的方块电阻和外侧探针通电流后在内探针处产生的电位差大小有关。
如果样品的线度相对探针间距大不多时，上式中的系数c 必须加以适当的修正，修正值与被测样品的形状和大小有关。
C=4.53。
对扩散后方块电阻、表面浓度和结深的影响,采用四探针测摘要：本文研究了单晶硅片不同的基体电阻率，对扩散后方块电阻、表面浓度和结深的影响，采用四探针测试法测定了发射极的方块电阻，结果显示基体电阻率越高，扩散后的方阻越高，采用电化学电压电容（ECV）测量方法测量了发射极表面浓度与结深的变化， ECV测量的结果表明了电阻率高的硅片扩散后表面浓度低、结深越小，是扩散后方阻高的原因，这些结果对太阳能电池生产的扩散工艺有一定的指导意义。
引言：目前，在国际环境和能源问题日趋严重的大背景下，新型无污染的新能源得到的快速的发展，而太阳能电池能够将太阳能直接转化成电能得到了大力的发展，到目前为止，晶体硅太阳能电池仍占据着整个太阳能电池的主要市场[1-3]。
然而到目前为止使用太阳能电池的成本依然较高，虽然成本每年都在降低。
降低太阳能电池发电的生产成本和提高其转换效率一直是研究的热点[4]。
扩散形成p-n结实太阳能生产中的重要的环节，p-n结是整个太阳能电池的心脏部分，通过改变扩散生产工艺，来提高太阳能电池性能的研究有很多。
李等通过改变扩散的时间和温度来改变多晶硅扩散的电阻在发现，当方阻小于70Ω/sq的时候，电池效率随着方阻的增加而增加，当大于70Ω/sq的时候随着方阻的增加而减小[ 5 ]。
Betezen等从实验中得出，降低温度和延长扩散时间有利于硅片的吸杂作用[6]。
豆等通过改变多晶硅中气体流量的大小与RIE制绒工艺进行匹配，在方阻为80Ω/sq的情况下得到了转换效率为17 . 5%的太阳能电池，比相应的酸制绒效率提高了0.5%[7]。
在一些重参杂的研究中发现，重参杂会增加发射极载流子的复合速率[8-9]。
上述的研究表明了扩散方阻对电池最终的转换效率有重要的影响，这些结果对生产中扩散工艺都具有重要的知道意义。
然而，上述的研究，都是通过改变扩散的时间或者源流量的大小来改变扩散后方阻的大小。
到目前为止，对不同电阻率硅片扩散后方阻的研究还比较少。
扩散层质量是个关键问题。
质量的要求，主要体现在扩散的深度（结深），扩散层的表面杂质浓度等方面。
结深是在硅片中掺入不同导电类型的杂质时，在距离硅片表面xj的地方，掺入的杂质浓度与硅片的本体杂质浓度相等，即在这一位置形成了pn结。
表面浓度（Nx）是做完扩散后在硅片表面的扩散层中的杂质含量，扩散结深用（Xj）表示。
电化学C-V是当前测量半导体载流子浓度分布的非常重要的方法。
在在硅半导体中ECV的应用也越来越广泛，逐渐成为光伏行业电池技术研究和发展的必要工具之一。
ECV测量是利用合适的电解液既可以作为肖特基接触的电极测量C-V特性，又可以进行电化学腐蚀，因此可以层层剥离测量电激活杂质的浓度分度，剖面深度不受反向击穿的限制，并可以测量pn结。
针对与此，该工作采用不同电阻率硅片进行实验，得到了扩散后不同扩散方阻的硅片，并对扩散硅片的表面浓度和结深进行了研究。
1、实验方法实验采用本研究采用电阻率为2.15、3 . 1 4 、3 . 8 4 、4 . 4 7 Ω · c m 4 组1 5 6 ×156mm 单晶硅片，厚度为200μｍ。
每组取5片进行实验。
扩散采用七星华创设备来进行。
扩散工艺分别采用恒定源扩散和限定源扩散。
恒定源表面扩散是硅片表面杂质浓度始终不变，它与时间无关，只与扩散的杂质和扩散的温度有关。
硅片内部的杂质浓度则随时间增加而增加随距离增加而减少。
限定源表面扩散是在整个扩散过程中，硅片内的杂质总量保持不变，没有外来杂质补充，只依靠扩散前在硅片表面上已淀积的那一薄层内有限数量的杂质原子，向硅片体内扩散。
随着扩散时间的增长，表面杂质浓度不断下降，并不断地向内部推进扩散，这时表面杂质深度都发生了变化。
扩散后采用美国4D公司的四探针方块电阻测试设备(型号280SI)对方块电阻进行测量，使用德国半导体技术研究所研制的电化学电容电压分析设备(型号ECV CVP21)进行表面浓度和发射极结深的测量。
2、ECV测试原理ECV利用电解液氟化铵形成势垒并对半导体加以正向偏压（p型）或反向偏压（n型并加以光照）进行表面腐蚀去除已经电解的材料，通过自动装置重复“腐蚀-测量”循环得到测量曲线，然后利用法拉第定律，对腐蚀电流进行积分就可以连续得到腐蚀深度。
尽管这种方法是破坏性的，但是理论上它的测量深度是无限的。
ECV测试分为2步：首先是测量电解液/半导体界面形成肖特基势垒的微分电容来得到载流子浓度，然后利用阳极电化学溶解反应，按照设定的速率去除测量处的样品。
设备测量示意如图1所示。
图1 ECV示意图3、实验结果图2是不同电阻率硅片扩散后方阻的分布图，图中可以看出，扩散后的方块电阻随电阻率升高逐渐增大，两者基本呈线性关系。
图2 不同电阻率硅片与扩散后方阻关系图为了说明证硅片电阻率与扩散后方阻的关系，因此对不同电阻率硅片扩散后的表面浓度与结深的关系进行了测量，结果如图3所示。
取每条曲线的最高值为表面浓度，不同电阻率表面浓度的曲线图如图4所示。
从图3和图4中看以看出扩散后的表面浓度在1020-1021（1/cm3）间，并且从中可以明显的看出电阻率越高表面浓度越低。
取图3中1E+17atoms/cc浓度水平曲线的尾端为结深，可以看出电阻率越高，结深越小。
电阻率高的硅片扩散后的表面浓度和结深都低。
扩散的系数越小，结深越浅[10]，扩散的磷总浓度越低，相应的方块方阻越高。
因此，表面浓度和结深与基体电阻率呈反比关系。
图3 不同电阻率硅片的磷扩散曲线图4 不同电阻率硅片与扩散表面浓度关系图4、结论采用四探针法和电化学电压电容（ECV）测量方法研究了不同电阻率单晶硅片方阻，扩散后表面浓度与结深的变化关系，结果表明：1、扩散后发射极的方块电阻变化与基体电阻率呈正比，两者接近线性关系；2、扩散后表面浓度和结深变化与基体电阻率呈反比，所以高电阻率硅片对应的扩散后方块电阻会越高；3、这种变化趋势对于优化扩散工艺，提高电池性能的均匀性和集中性，具有指导意义；4、对于电阻率影响发射极表面浓度和结深的机理，有待进一步验证。
参考文献[1] Michell M,Bernd R,Wolf gang, et al．18.1％efficiency for larger area,multi-crystalline siliconsolar cell, photovoltaic energy conversion[C].Conference Record of the 2006 IEEE 4th WorldConference. 2006: 894-899[2] Spiegei M. Successful implementation of themicrowave induced remote hydrogen plasmapassivation in a standard multi-crystalline siliconsolar cell production line [J]. Ibid, 1998:1543-1546[3] Ferrazza F. Growth and post growth processesof multi-crystalline silicon for photovoltaic use [J].Solid State Phenomena, 1996, 51: 449-460.[4] 吕肖前, 孟凡英.多晶硅太阳电池新型制绒工艺研究[J]. 光电子. 激光, 2010, 21(3): 400-402.[5] 李鹏荣，吴伟，马忠权，王义飞. 扩散方阻对多晶硅太阳能电池效率的影响[J]. 上海大学报. 2012,03-012.[6] Bentezn A, Marstein E S, Kopecek R, et al.Phosphorous diffusion and gettering inmulti-crystalline silicon solar cell processing[C].19th European photovoltaic Solar EnergyConference. 2004: 935-938.[7] 秦应雄, 巨小宝, 徐挺等. 多晶硅片反应离子刻蚀制绒后扩散工艺的匹配性[J]. 光子学报. 2013, 426:649-653[8] Cuevas A, Russell D. Co-optimisation of theemitter region and the metal grid of silicon solarcells[J]. Prog Photovolt Res Appl, 1999,8(6):603-616.[9] Kerr M J, Schmidt J, Cuevas A. Surfacerecombination velocity ofphosphorus-diffusedsilicon solar cell emitters passivated with plasmaenhanced chemical vapor deposited silicon nitrideand thermal silicon oxide [J]. J Applied Physics,2001, 89: 3821-3826.[10] Andreas B and Arve H CorrespondenceBetween Sheet Resistance And Emitter Profile OfPhoshorus Diffused Emitter Froma Spray-onDopant[J]. 2005, 40: 1153-1156。
