半导体物理实验——四探针法测半导体材料电阻

51 四探针法测电阻率 1. 理解四探针测量半导体或金属薄膜电阻率的原理 2. 了解四探针测量材料电阻率的注意事项

实验原理 四探针法测量电阻率常用的四探针法是将四根金属探针的针尖排在同一直线上的直线型四探针法如图 1-1a所示。当四根探针同时在一块相对于探针间距可视为半无穷大的平面上时如果探针接触处的材料是均匀的并可忽略电流在探针处的少子注入则当电流 I 由探针流入样品时可视为点电流源在半无穷大的均匀样品中所产生的电场线具有球面对称性即等势面为一系列以点电流源为中心的半球面。样品中距离点电源 r 处的电流密度 j电场ε和电位 V 分别

直流四探针法也称为四电极法主要用于低电阻率材料的测量。使用的仪器以及与样品的接线如图3-1所示。由图可见测试时四根金属探针与样品表面接触外侧两根1、4为通电流探针内侧两根2、3为测电压探针。由电流源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他二根探针的电压即V23伏。 a 仪器接线 b点电流源 c四探针排列 图1-1 四探针法测试原理示意图 一块电阻率为的均匀材料样品其几何尺寸相对于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2r2则电流密度为 jI/2r2 1-1 52 根据电导率与电流密度的关系可得 E2222rIrIj 1-2 其中E为电场强度σ和ρ分别是样品的电导率和电阻率。若电流由探针流出样品则距点电荷r处的电势为 rIV2 1-3 因此当电流由探针1流入样品自探针4流出样品时根据电位叠加原理在探针2处的电位为 在探针 3 处的电位为 式中的S1是探针1和2之间的距离S2是探针2和3之间的距离S3是探针3和4之间的距离。各点的电势应为四个探针在该点形成电势的矢量和。所以探针 2、3 之间的电位为 通过数学推导可得四探针法测量电阻率的公式为 IVCrrrrIV231341324122311112 3-4 式中13413241211112rrrrC为探针系数单位为cmr12、r24、r13、r34分别为相应探针间的距离见图3-1c。若四探针在同一平面的同一直线上其间距分别为S1、S2、S3且S1S2S3S时则

1 四探针法测量导体的电阻率

电阻率的测量是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、三探针法、四探针法、电容---电压法、扩展

电阻法等. 四探针法则是一种广泛采用的标准方法，在半导体工艺中

最为常用，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. 并且四探针法测量电阻率有个非常大的优点，

它不需要较准；有时用其它方法测量电阻率时还用四探针法较准。本

文主要讲述四探针法测量导体材料电阻率的工作原理.

直流四探针法也称为四电极法，主要用于半导体材料或超导体等

的低电阻率的测量。使用的仪器以及与样品的接线如图1(a)所示。由

图可见，测试时四根金属探针与样品表面接触，外侧两根1、4为通

电流探针，内侧两根2、3为测电压探针。由电流源输入小电流使样

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

测出其他二根探针的电压即V23(伏)。

(a) 仪器接线 (b)点电流源 (c)四探针排列

图1 四探针法测试原理示意图

2 若一块电阻率为的均匀半导体样品，其几何尺寸相对于探针间

距来说可以看作半无限大。如图1(b)所示, 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2r2，电流密度为

J=I/2r2

根据电导率与电流密度的关系可得

E＝2222JIIrr

由电场强度和电位梯度以及球面对称关系， 则

dEdr 22IdEdrdrr

取ｒ为无穷远处的电位为零， 则

()202rrrdrdEdrr

则距点电荷r处的电势为

()2Irr

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.

1. 非直线型四探针

对于图1(c)的情形, 四根探针位于样品中央，电流从探针1流入

半导体物理四探针测试方块电阻或电阻率的实验步骤

1． 打开背后电源，预热30min

2． 操作面板“恒流源”按钮按下，选择电阻率/方阻正测/反测电流选择1 0mA档

3． 放上样品，注意不要碰上样品表面，避免沾污

4． 调节测试架下旋旋钮使探针轻按在样品上，听到响声，表示针和样品已经接触上

电阻率测试：电阻率灯亮

5． 根据样品厚度，找到对应电流值，调节粗调，细调使得电流表读数为表上具体厚度所对应的电流值。

6． 选择合适的“电流选择” 0.1mA 1mA 10mA/100mA,使得电压表有效值为3位，即为测试的电阻率

方块电阻测试：方块电阻灯亮

7． 电流值为45.32mA，选择合适的“电流选择” 0.1mA 1mA

10mA/100mA,使得电压表有效值为3位，即为测试的方块电阻

实验七：四探针法测量材料的电阻率和电导率

ID:20110010020

［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

［实验原理］:

单晶硅体电阻率的测量测试原理：直流四探针法测试原理简介如下:

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。

材料的电阻率尸/Ss）（1>

式中C为探针系数，由探针几何位置、样品厚度和尺寸决定，通常表示为

C=F（D/S）・F（W/S）,E乎，W⑵

式中：F（WS）F（D/S>Fsp分别样品厚度修正因子、直径修正因子、探针间距修正系数（四探针头合格证上的F值）。W:片厚，D:片径，S:探针间距。

［实验装置］:

使用RTS-4型四探针测试仪 1、电气部分：

过DC-DC变换器将直流电转换成高频电流，由恒流源电路产生的高频稳定恒定直流电流其量程为0.1mA、1mA、10mA、100mA;数值连续可调，输送到1、4探针上，在样品上产生电位差，此直流电压信号由2、3探针输送到电气箱内。

再由高灵敏，高输入阻抗的直流放大器中将直流信号放大（放大量程有0.763、

7.63、76.3）。放大倍数可自动也可人工选择，放大结果通过A/D转换送入计算机显示出来。RTS-例四探针测试仪框图如下所示。

国2四探」期试M电气刍分原理方也:

2。测试架

探头及压力传动机构、样品台构成，见图3所示，探头采用精密加工，内有弹簧加力装置，测试需要对基片厚度进行测量，以便对探头升降高度进行限制。

图3测试架结构图

［实验内容］:

一、测试准备：将220V电源插入电源插座，开机后等十分钟在进行测量。

1 .利用标样学习测试参数确定：进入系统，打开主界面。

Q选择参数：选择测试类别（如薄圆片还是棒材电阻率等）；