实验七 四探针测试半导体薄膜的电阻率
SZT —1型数字式四探针测试仪是运用四探针测量原理的多用途综合测量装置，可以测量棒状、块状半导体材料的径向和轴向电阻率，片状半导体材料的电阻率和扩散层方块电阻，换上特制的四端子测试夹还可以对低、中值电阻进行测量。
仪器由集成电路和晶体管电路混合组成，具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好，测量范围广，结构紧凑，使用方便的特点，测量结果由数字直接显示。仪器探头采用宝石导向轴套，与高耐磨合金探针组成具有定位准确，游移率小，寿命长的特点。本仪器适合于对半导体、金属、绝缘体材料的电阻性能测试。
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
测试原理：直流四探针法测试原理简介如下： 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 。材料的电阻率 如下（6.1）式：
（.cm ） （6.1）
式中C 为探针系数，由探针几何位置决定。
图6.1 四探针测量原理图
当试样电阻率分布均匀，试样尺寸满足半无限大条件时，
式中：
、
、
（cm ） （6.2）
分别为探针1与2，2与3，3与4之间的间距，当
=
=
=1 mm
时，C=2π。若电流取I = C时，则ρ= V 可由数字电压表直接读出。 （1）块状和棒状样品体电阻率测量
由于块状和棒状样品外形尺寸也探针间距比较，合乎与半无限大的边界条件，电阻率值可以直接由（1），（2）式求出。 （2）薄片电阻率测量
薄片样品因为其厚度与探针间距比较，不能忽略，测量时要提供样品的厚度形状和测量位的修正系数。
电阻率可由下面公式得出：
（6.3）
式中：
——为块形体电阻率测量值
——为样品厚度与探针间距的修正函数，可由相关表格查得
——为样品形状和测量位置的修正函数。
当圆形硅片的厚度满足W/S
2． 扩散层的方块电阻测量：
当半导体薄层尺寸满足于半无限大平面条件时：
（6.4）
（6.5）
若取I =4.53，则R 值可由V 表中直接读出。
三、实验仪器与设备
数字式四探针测试仪如图6.2所示。仪器分为电气部分、测试架两大部分，可以根据 测试需要安放在一般工作台或者专用工作台上。
1、电气部分
仪器主面板上有高灵敏度直流数字电阻率显 示表，分为m Ω∙cm 、Ω∙cm 、k Ω∙cm 三个量程。 （由调制式高灵敏直流放大器、双积分A/D变换、 计数器、显示器、恒流源、电源、DC —DC 电源 变换器组成）为了克服测试时探针与样品接触时产 生的接触电势和整流效应的影响，本仪器设立有
图6.2 数字式四探针测试仪
“粗调”、“细调”调零电路能产生一个恒定的电势来补偿附加电势的影响。仪器自较电路，备有精度为0.20%的标准电阻，作为自较电路的基础，通过自较电路可以方便地对数字电压表精度很恒流源进行校正。
2、测试架
测试架由探头及压力传动机构、样品台构成，见图4所示。
图 6.3 测试架结构
探头采用精密加工，配宝石导套，使测量误差大为减小，且寿命长，探头内有弹簧加力装置，测试还有高度粗调、细调装置。在半导体材料断面测量时，直径范围φ15 — 100 mm，其高度为400mm ，如果要对大于400 mm长单晶的断面测量，可以将升降架升高或者加长主柱，测试架有专门的屏蔽导线插头与电气箱联结。
四、实验内容与步骤
1．测试准备
将220V 电源插入电源插座，电源开关置于断开位置，工作选择开关置于“短路”位置，电流开关处于弹出位置。将测试夹的屏蔽线插头与电气箱的输入插座连接起来，送开测试架立柱处的高度调节手轮，将探头调到适当的集团和高度，测试样品应进行喷纱和清洁处理，放在样品架上，使探针能与其表面良好接触，并保持一定的压力，调节室内温度使之达到要求的测试条件。 2．测量
将电源开关置于开启位置，数字显示、仪器通电预热半小时（仪器作校准考核时0.2mv 电压量程应预热一小时）。电阻率、方块电阻、电阻测量如下：
使探头接触到样品，功能开关置于“测量”拨动电流量程开关与电压量程开关，置于样品测量所适应的电流、电压量程范围及调节到适合的电流值，调节粗调和细调和细调调零，使数字显示为“0000”，按下电流开关，由数字显示板和单位显示灯直接读出测量值和单位，如果数字显示熄灭只剩下“-1”或“1”，则测量数值已超过此电压量程，应将电压量程拨到更高挡。读数后退出电流开关，数字显示将恢复到零位，否则应重新测量，在仪表处于高灵敏电压挡时更要经常检查零位，再将极性开关拨至下方（负极性），按下电流开关，从数字显示板和单位显示灯可以读出负极性的测量值，将两次测量得的电阻率值取平均，即为样品在该处的电阻率值。测量电阻方块电阻时，可以按表1所示的电压电流量程进行选择。
表6.1 电阻及薄层电阻测量时电压电流量程选择
测量电阻率时，样品的范围和应选择的电流范围见表2所示。根据国家标准，仪器性能，从保证测试精度考虑，在电阻率测试时，推荐用户采用表3所示电流电压量程较适合。
表6.2 测量电阻率所要求的电流值
表6.3 电阻率测量时推荐的电流电压量程选择
五、注意事项
1．测量电流值的调节：将测量选择开关置于“电阻”位置，工作选择开关置于“I调节”位置，电流量程开关与电压量程开关必须放在下表4所列的任一组对应的位置。
表6.4 电流调节和自较时必须对应的电流电压量程
按下电流开关，调节电流电位器。可以使电流输出从0 ~ 1000，直到数字显示出测量所需要的电流值（例 6.24，4.53等）为止。当电流调节电位器顶端100时数字显示为1000
2，
是相应电流量程的满度值，准确的电流值应由数字显示读出，只要调节好某一量程电流输出值后，其它各量程的电流会按此数字输出，不同数量级的电流值其误差为值调节好后，不必每次测量都调节。
2字，一旦电流
2．仪器自较：为了校验电气箱中数字电压表和恒流源的精度，仪器内部装有精度为0.02%的标准电阻，供校验之用。自较时，将测量选择开关置于“电阻”位置，工作选择开关置于“自较”位置，电流量程开关和电压量程开关按表4所示进行。调节好零位，按下电流开关则数字显示板显示出“19.9X”，各量程数值误差为压板上“I调节”窗孔使数字恢复到“19.9X”值。
3．棒状：块状样品电阻率测量，按测量步骤进行由表3选择电压电流调节在
,C为探针几何修正系数显示值为测量电阻率值。
4．薄片电阻率测量：按步骤进行，根据表3选择电压和电流量程。 当薄片厚度>0.5 mm时，按公式3进行。 当薄片厚度
5．方块电阻测量，按测量步骤进行，电流电压量程按表1选择，当电流调节在4.53时，读出的数值10倍为实际的方块电阻值。
6．电阻（V/I）测量：用四端测量夹子换下四探针测试架，按图5接好样品，按测量步骤进行，由表1选择适合的电流和电压量程，电流值调节到1000数值，读出数值为实际测量的电阻值。
7．仪器在中断测试时应将工作选择开关置到“短路”位置，电流开关按钮复原。
6字，如果数值超差，可以调节机内
六、思考题
1．四探针测量半导体薄膜电阻率的基本原理？ 2．不同的测试量程对测试准确性的影响？ 3．分析讨论不同形状样品电阻率测量的准确程度？
七、附录
SZT-1型数字式四探针测试仪的技术参数如下：
1．测量范围：
电阻率：10-4 ~103Ω⋅cm 方块电阻：10-3~104Ω/□ 电阻：10-6 ~105Ω
导电类型鉴别：电阻率范围 10-4 ~103Ω⋅cm 2．可测半导体材料尺寸 直径：φ15~100 mm
长度：≤400mm 3．测量方法： 轴向、断面均可
4．显示方式：31/2,数显, 极性、过载自动显示，小数点、单位自动显示。 5．恒流源：
（1）电流输出：直流电流0~100 mA连续可调。 （2）量程：10、100μA、1、10、100mA （3）误差：±0.5%读数±2个字 6．四探针测试探头 (1) 探针间距：1mm
(2) 材料：碳化钨；探针机械游移率：±1.0% 7．电源:220±10% 50Hz或60Hz 功耗：＜35W
实验七 四探针测试半导体薄膜的电阻率
SZT —1型数字式四探针测试仪是运用四探针测量原理的多用途综合测量装置，可以测量棒状、块状半导体材料的径向和轴向电阻率，片状半导体材料的电阻率和扩散层方块电阻，换上特制的四端子测试夹还可以对低、中值电阻进行测量。
仪器由集成电路和晶体管电路混合组成，具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好，测量范围广，结构紧凑，使用方便的特点，测量结果由数字直接显示。仪器探头采用宝石导向轴套，与高耐磨合金探针组成具有定位准确，游移率小，寿命长的特点。本仪器适合于对半导体、金属、绝缘体材料的电阻性能测试。
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
测试原理：直流四探针法测试原理简介如下： 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 。材料的电阻率 如下（6.1）式：
（.cm ） （6.1）
式中C 为探针系数，由探针几何位置决定。
图6.1 四探针测量原理图
当试样电阻率分布均匀，试样尺寸满足半无限大条件时，
式中：
、
、
（cm ） （6.2）
分别为探针1与2，2与3，3与4之间的间距，当
=
=
=1 mm
时，C=2π。若电流取I = C时，则ρ= V 可由数字电压表直接读出。 （1）块状和棒状样品体电阻率测量
由于块状和棒状样品外形尺寸也探针间距比较，合乎与半无限大的边界条件，电阻率值可以直接由（1），（2）式求出。 （2）薄片电阻率测量
薄片样品因为其厚度与探针间距比较，不能忽略，测量时要提供样品的厚度形状和测量位的修正系数。
电阻率可由下面公式得出：
（6.3）
式中：
——为块形体电阻率测量值
——为样品厚度与探针间距的修正函数，可由相关表格查得
——为样品形状和测量位置的修正函数。
当圆形硅片的厚度满足W/S
2． 扩散层的方块电阻测量：
当半导体薄层尺寸满足于半无限大平面条件时：
（6.4）
（6.5）
若取I =4.53，则R 值可由V 表中直接读出。
三、实验仪器与设备
数字式四探针测试仪如图6.2所示。仪器分为电气部分、测试架两大部分，可以根据 测试需要安放在一般工作台或者专用工作台上。
1、电气部分
仪器主面板上有高灵敏度直流数字电阻率显 示表，分为m Ω∙cm 、Ω∙cm 、k Ω∙cm 三个量程。 （由调制式高灵敏直流放大器、双积分A/D变换、 计数器、显示器、恒流源、电源、DC —DC 电源 变换器组成）为了克服测试时探针与样品接触时产 生的接触电势和整流效应的影响，本仪器设立有
图6.2 数字式四探针测试仪
“粗调”、“细调”调零电路能产生一个恒定的电势来补偿附加电势的影响。仪器自较电路，备有精度为0.20%的标准电阻，作为自较电路的基础，通过自较电路可以方便地对数字电压表精度很恒流源进行校正。
2、测试架
测试架由探头及压力传动机构、样品台构成，见图4所示。
图 6.3 测试架结构
探头采用精密加工，配宝石导套，使测量误差大为减小，且寿命长，探头内有弹簧加力装置，测试还有高度粗调、细调装置。在半导体材料断面测量时，直径范围φ15 — 100 mm，其高度为400mm ，如果要对大于400 mm长单晶的断面测量，可以将升降架升高或者加长主柱，测试架有专门的屏蔽导线插头与电气箱联结。
四、实验内容与步骤
1．测试准备
将220V 电源插入电源插座，电源开关置于断开位置，工作选择开关置于“短路”位置，电流开关处于弹出位置。将测试夹的屏蔽线插头与电气箱的输入插座连接起来，送开测试架立柱处的高度调节手轮，将探头调到适当的集团和高度，测试样品应进行喷纱和清洁处理，放在样品架上，使探针能与其表面良好接触，并保持一定的压力，调节室内温度使之达到要求的测试条件。 2．测量
将电源开关置于开启位置，数字显示、仪器通电预热半小时（仪器作校准考核时0.2mv 电压量程应预热一小时）。电阻率、方块电阻、电阻测量如下：
使探头接触到样品，功能开关置于“测量”拨动电流量程开关与电压量程开关，置于样品测量所适应的电流、电压量程范围及调节到适合的电流值，调节粗调和细调和细调调零，使数字显示为“0000”，按下电流开关，由数字显示板和单位显示灯直接读出测量值和单位，如果数字显示熄灭只剩下“-1”或“1”，则测量数值已超过此电压量程，应将电压量程拨到更高挡。读数后退出电流开关，数字显示将恢复到零位，否则应重新测量，在仪表处于高灵敏电压挡时更要经常检查零位，再将极性开关拨至下方（负极性），按下电流开关，从数字显示板和单位显示灯可以读出负极性的测量值，将两次测量得的电阻率值取平均，即为样品在该处的电阻率值。测量电阻方块电阻时，可以按表1所示的电压电流量程进行选择。
表6.1 电阻及薄层电阻测量时电压电流量程选择
测量电阻率时，样品的范围和应选择的电流范围见表2所示。根据国家标准，仪器性能，从保证测试精度考虑，在电阻率测试时，推荐用户采用表3所示电流电压量程较适合。
表6.2 测量电阻率所要求的电流值
表6.3 电阻率测量时推荐的电流电压量程选择
五、注意事项
1．测量电流值的调节：将测量选择开关置于“电阻”位置，工作选择开关置于“I调节”位置，电流量程开关与电压量程开关必须放在下表4所列的任一组对应的位置。
表6.4 电流调节和自较时必须对应的电流电压量程
按下电流开关，调节电流电位器。可以使电流输出从0 ~ 1000，直到数字显示出测量所需要的电流值（例 6.24，4.53等）为止。当电流调节电位器顶端100时数字显示为1000
2，
是相应电流量程的满度值，准确的电流值应由数字显示读出，只要调节好某一量程电流输出值后，其它各量程的电流会按此数字输出，不同数量级的电流值其误差为值调节好后，不必每次测量都调节。
2字，一旦电流
2．仪器自较：为了校验电气箱中数字电压表和恒流源的精度，仪器内部装有精度为0.02%的标准电阻，供校验之用。自较时，将测量选择开关置于“电阻”位置，工作选择开关置于“自较”位置，电流量程开关和电压量程开关按表4所示进行。调节好零位，按下电流开关则数字显示板显示出“19.9X”，各量程数值误差为压板上“I调节”窗孔使数字恢复到“19.9X”值。
3．棒状：块状样品电阻率测量，按测量步骤进行由表3选择电压电流调节在
,C为探针几何修正系数显示值为测量电阻率值。
4．薄片电阻率测量：按步骤进行，根据表3选择电压和电流量程。 当薄片厚度>0.5 mm时，按公式3进行。 当薄片厚度
5．方块电阻测量，按测量步骤进行，电流电压量程按表1选择，当电流调节在4.53时，读出的数值10倍为实际的方块电阻值。
6．电阻（V/I）测量：用四端测量夹子换下四探针测试架，按图5接好样品，按测量步骤进行，由表1选择适合的电流和电压量程，电流值调节到1000数值，读出数值为实际测量的电阻值。
7．仪器在中断测试时应将工作选择开关置到“短路”位置，电流开关按钮复原。
6字，如果数值超差，可以调节机内
六、思考题
1．四探针测量半导体薄膜电阻率的基本原理？ 2．不同的测试量程对测试准确性的影响？ 3．分析讨论不同形状样品电阻率测量的准确程度？
七、附录
SZT-1型数字式四探针测试仪的技术参数如下：
1．测量范围：
电阻率：10-4 ~103Ω⋅cm 方块电阻：10-3~104Ω/□ 电阻：10-6 ~105Ω
导电类型鉴别：电阻率范围 10-4 ~103Ω⋅cm 2．可测半导体材料尺寸 直径：φ15~100 mm
长度：≤400mm 3．测量方法： 轴向、断面均可
4．显示方式：31/2,数显, 极性、过载自动显示，小数点、单位自动显示。 5．恒流源：
（1）电流输出：直流电流0~100 mA连续可调。 （2）量程：10、100μA、1、10、100mA （3）误差：±0.5%读数±2个字 6．四探针测试探头 (1) 探针间距：1mm
(2) 材料：碳化钨；探针机械游移率：±1.0% 7．电源:220±10% 50Hz或60Hz 功耗：＜35W