4金属薄膜电阻率地测量

1、实用标准文档5金属薄膜电阻率的测量一. 实验目的1. 熟悉四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法。2. 了解影响电阻率的测量的各种因素及改进措施。二. 实验仪器RTS-5型双电测四探针测试仪三. 实验原理双电测组合四探针法采用了以下二种组合的测量模式(见图1)将直线四探针垂直压在被测样品表面上分别进行I14V23和I13V24组合测量，测量过程如下：1. 进行I14V23组合测量：电流I从1针4针，从2、3针测得电压 V23+ ;电流换向，1从4针1针，从2、3针测得电压 V23-;计算正反向测量平均值：V23 = (V23+ + V23-) /2;2. 进行I13V24组合测量：电流I

2、从1针3针，从2、4针测得电压 V24+ ;电流换向，1从3针1针，从2、4针测得电压 V24-;计算正反向测量平均值：V24 = (V24+ + V24-) /2;3. 计算(V23 /V24 )值；(以上V23、V24均以mV为单位)4. 按以下两公式计算几何修正因子K:若 1.18 ( V23 /V24 ) 1.38 时；K= 14.696 + 25.173(V23 /V24) -7.872(V23 /V24)2 ;若 1.10 (V23 / V24 ) 1.18 时；K= 15.85 + 26.15(V23 /V24) 7.872(V23 /V24)2 ;5. 计算方块电阻R:R =

3、K (V23 /I )(单位：Q/口)；(3)其中：I为测试电流，单位：mA ；V23为从2、3针测得电压V23+和V23-的平均值，单位：mV ;6. 若已知样品厚度W，可按下式计算样品体电阻率p：p=RQW F(W/S) /10(单位：Q .cm) ； -(4)其中：RD为方块电阻值，单位：Q/口；W为样片厚度，单位： mm (W 3mm )；S为探针平均间距，单位：mm ;F(W/S)为厚度修正系数；7. 计算百分变化率(以测试样品电阻率p为例)：pM pm最大百分变化(%)=X00 %-(5)pmpa pc平均百分变化(%)=低 %-(6)pC2(pM pm )径向不均匀度E(%)=七

4、国%-(7)pM +pm以上式中：p M、pm分别为测量的电阻率最大值与最小值，单位：Q.cm ;pc为第1、2点(即圆片中心测量点)测量平均值，单位：Q .cm ; pa为除第1、2点外其余各点的测量平均值，单位：Q .cm ;(若测量样品的方块电阻值，则将(5)、(6)、(7)式中的pM、pm、p a、pc分别改成R M、R m、R 8、和只c。其公式意义与p M、 pm、pa、pc 相似)。四. 实验步骤1将主机、探针测试台、四探针探头、计算机连接，开启主机，启动RTS-5双电测四探针软件测试系统2. 放置样品于测试台，操作探针台压下探针，使样品接通电流3选择对样品要进行的测试类别，及输

5、入相关测试基本参数4. 执行【测量】功能-按弹出提示窗口调节主机电位器使主机电 流显示为此值-按【确定】按钮继续测量执行【自动测量】功能按弹出提示窗口调节主机电位器使主机电 流显示为45.32 gA-按【确定】按钮继续测量5. 【实时采集两次组合模式下的电压值】窗口实时显示两次组合 模式下电压的正反向、平均值；【统计测试数据】窗口显示样品测试 点的测量数据6. 对测量数据进行打印、保存、生成 EXCEL文件响电阻率测量的各种因素及改进措施1、环境温湿度一般材料的电阻值会随环境温度及湿度的升高而减小。所以相比较而言，表面电阻（率）对环境湿度比较敏感，而体电阻 （率）则对温度较为敏感。湿度增加，表

6、面泄漏增大，体电导 电流也会增加。温度升高，载流子的运动速率加快， 介质材料的吸收电流和电导电流会相应 增加，据有关资料报道，一般介质在70C时的电阻值仅有20C时的10 %。因此，测量材料的电阻时，必须指明试样与环境达到平衡的温湿度。2、测试电压及电场强度介质材料的电阻（率）值一般不能在很宽的电压范围内保持不变，即欧姆定律对此并不适用。常温条件下，在较低的电压范围内，电导电流随外加电压的增加而线性增加，材料的电阻值保持不变。超过一定电压后，由于离子化运动加剧， 电导电流的增加远比测试电压增加 的快，材料呈现的电阻值迅速降低。由此可见，外加测试电压越高，材料的电阻值越低，以 致在不同电压下测试

7、得到的材料电阻值可能有较大的差别。值得注意的是，导致材料电阻值变化的决定因素是测试时的电场强度，而不是测试电压。对相同的测试电压， 若测试电极之间的距离不同，对材料电阻率的测试结果也将不同，正负电极之间的距离越小，测试值也越小。3、测试时间用一定的直流电压对被测材料加压时，被测材料上的电流不是瞬时达到稳定值的，而是有一衰减过程。在加压的同时，流过较大的充电电流， 接着是比较长时间缓慢减小的吸收电 流，最后达到比较平稳的电导电流。被测电阻值越高，达到平衡的时间则越长。因此，测量 时为了正确读取被测电阻值，应在稳定后读取数值或取加压1分钟后的读数值。另外，高绝缘材料的电阻值还与其带电的历史有关。

8、为准确评价材料的静电性能，在对 材料进行电阻（率）测试时，应首先对其进行消电处理，并静置一定的时间，静置时间可取5分钟，然后，再按测量程序测试。一般而言，对一种材料的测试，至少应随机抽取35个试样进行测试，以其平均值作为测试结果。4、测试设备的泄漏在测试中，线路中 绝缘电阻 不高的连线，往往会不适当地与被测试样、取样电阻等并联，对测量结果可能带来较大的影响。为此：为减小测量误差，应采用保护技术，在漏电流大的线路上安装保护导体， 以基本消除杂 散电流对测试结果的影响；采用聚乙烯、聚四氟乙烯等绝缘材料制作测试台和支撑体， 以避 免由于该类原因导致测试值偏低。高电压线由于表面电离， 对地有一定泄漏，

9、所以尽量采用高绝缘、 大线径的高压导线作为高压输出线并尽量缩短连线，减少尖端，杜绝电晕放电；5、外界干扰高绝缘材料加上直流电压后，通过试样的电流是很微小的，极易受到外界干扰的影响，造成较大的测试误差。热电势、接触电势一般很小，可以忽略；电解电势主要是潮湿试样与不同金属接触产生的， 大约只有20mV，况且在静电测试中均要求相对湿度较低，在干燥环境中测试时，可以消除电解电势。因此，外界干扰主要是杂散电流的耦合或静电感应产生的 电势。在测试电流小于 10-10A或测量电阻超过1011欧姆时；被测试样、测试电极和测试 系统均应采取严格的屏蔽措施，消除外界干扰带来的影响。七. 实验结论1. 薄层方块电阻

10、为只口 =6.74 Q/ 2. 薄片电阻率为p =0.1 Q.cm八. 思考题1. 什么是体电阻？方块电阻？答：体电阻是指材料两端之间的直流电压与通过电流的比值，单位是欧姆。薄层电阻又叫方块电阻，长L和宽W相等的一个方块的电阻称为方 块电阻R。如果一个均匀导体是一宽为 W，厚度为d的薄层，则R= pL/S二pL/dW二p/d 单位为Q / 。可见R阻值大小与正方形的边长 无关，故称为方块电阻，仅仅与薄膜的厚度有关。2. 为什么要用四探针进行测量，如果只用两根探针既做电流探针又做电压探针，是否能够对样品进行准确的测量，为什么？答：接触电阻的影响严重。探针与半导体体接触产生一定厚度的耗尽层，耗尽层

11、是高阻的，另外探针与半导体之间不像与金属之间一样很 好的接触，还会产生产生一个额外的电阻扩展电阻。变温霍尔效应的测定一. 实验目的1、了解半导体中霍尔效应的产生原理，霍尔系数表达式的推导及其 副效应的产生和消除。2、掌握霍尔系数和电导率的测量方法、样品导电类型的判别方法、半导体材料的霍尔系数、电导率、载流子浓度和霍尔迁移率的计算方 法。3、掌握动态法测量霍尔系数的原理。4、了解霍尔器件的应用，理解半导体的导电机制。5、掌握实验数据处理方法，并能利用Origin绘图软件对实验数据进 行处理和分析。二. 实验器材变温霍尔实验仪*.实验原理1.霍尔效应和霍尔系数霍尔效应是一种电流磁效应（如图一）当半

12、导体样品通以电流Is,并加一垂直于电流的磁场B,则在样品两 侧产生一横向电势差Uh，这种现象称为“霍尔效应”，Uh称为霍尔 电压，Uh= RHlsB/d （1）Rh= UHd/I sB（2）Rh叫做霍尔系数，d为样品厚度。对于P型半导体样品，Rh= 1/qp （3） 式中q为空穴电荷电量， p为半导体载流子空穴浓度。对于n型半导体样品，Rh= -1/qn（4）式中为n电子电荷电量。考虑到载流子速度的统计分布以及载流子在运动中受到散射等因素 的影响。在霍尔系数的表达式中还应引入霍尔因子A，则（3）（4）修正为p型半导体样品Rh= A/qp （ 5）n型半导体样品，Rh= -A/q n （6）A的

13、大小与散射机理及能带结构有关。在弱磁场（一般为200mT ）条件下，对球形等能面的非简并半导体，在较高温度（晶格散射起主 要作用）情况下，A=1.18，在较低的温度（电离杂质散射起主要作 用）情况下，A=1.93,对于高载流子浓度的简并半导体以及强磁场 条件A=1。对于电子、空穴混合导电的情况，在计算RH时应同时考虑两种载流 子在磁场偏转下偏转的效果。对于球形等能面的半导体材料，可以证 明：Rh= A（p-nb 2）/q（p+nb） 2（7）式中b=U n/Up,Up、Un分别为电子和空穴的迁移率，A为霍尔因子， A的大小与散射机理 及能带结构有关。从霍尔系数的表达式可以看出：由 RH的符号可

14、以判断载流子的型， 正为P型，负为N型。由RH的大小可确定载流子浓度，还可以结 合测得的电导率算出如下的霍尔迁移率 UHUH=|RH| （T（8）对于P型半导体UH=UP，对于N 型半导体UH=UN霍尔系数RH可以在实验中测量出来，表达式为 Rh= UHd/I sB （9） 式中UH、Is、d , B分别为霍尔电势、样品电流、样品厚度和磁感应 强度。单位分别为伏特（V）、安培（A），米（m）和特斯拉（T）。 但为与文献数据相对应，一般所取单位为UH伏（V）、Is毫安（mA ）、 d厘米（cm ）、B高斯（Gs）、则霍尔系数RH的单位为厘米3/ 库仑（cm3/C ）。但实际测量时，往往伴随着各种

15、热磁效应所产生的电位叠加在 测量值UH上，引起测量误差。（详见讲义）为了消除热磁效应带 来的测量误差，可采用改变流过样品的电流方向及磁场方向予以消 除。2 .霍尔系数与温度的关系RH与载流子浓度之间有反比关系，当温度不变时，载流子浓度不变， RH不变，而当温度改变时，载流子浓度发生， RH也随之变化。 实验可得|R H |随温度T变化的曲线。3 .半导体电导率在半导体中若有两种载流子同时存在，其电导率。为o=qpuP+qnun（7）实验中电导率。可由下式计算出0=1/ p=ll/u oad （8）式中为P电阻率，I为流过样品的电流，U o、I分别为两测量点间的 电压降和长度，a为样品宽度，d为

16、样品厚度。四.实验步骤（一）常温下测量霍尔系数RH和电导率o1 .打开电脑、霍尔效应实验仪（I）及磁场测量和控制系统（II） 电源开关。（以下简称I或II）（如II电流有输出，则按一下I复位开关，电流输出为零。）2 .将霍尔效应实验仪（I）, 拨至“自动”， 拨至“动态”，将II换向转换开关拨至“自动”。按一下I复位开关，电流有输出，调节II电位 器，至电流为一定电流值同时测量磁场强度。（亦可将II开关拨至手动，调节电流将磁场固定在一定值，一般为 200mT即2000GS）3 .将测量样品杆放入电磁铁磁场中（对好位置）。4 .进入数据采集状态，选择电压曲线。如没有进入数据采集状态， 则按一下I

17、复位开关后进入数据采集状态。记录磁场电流正反向的霍尔电压V3、V4、V5、V6。可在数据窗口得到具体数值。5 .将I 拨至记录电流正反向的电压V1、V2。6 .按讲义计算霍尔系数RH，电导率。等数据。（二）变温测量霍尔系数RH和电导率。1 .将I 拨至“ RH”，将温度设定调至最小（往 左旋到底，加热指示灯不亮）2 .将测量样品杆放入杜瓦瓶中冷却至液氮温度。3. 将测量样品杆放入电磁铁磁场中（对好位置）。4 .重新进入数据采集状态。（电压曲线）5 .系统自动记录随温度变化的霍尔电压， 并自动进行电流和磁场换 向。到了接近室温时调节温度设定至最大（向右旋到底）。也可 一开始就加热测量。6. 到加

18、热指示灯灭，退出数据采集状态。保存霍尔系数 RH文件。7 .将I 拨至“”&将测量样品杆放入杜瓦瓶中冷却至液氮温度。9.将测量样品杆拿出杜瓦瓶。10 .重新进入数据采集状态。11.系统自动记录随温度变化的电压，到了接近室温时调节温度 设定至最大。12 .当温度基本不变，退出数据采集状态。保存电导率。文件13 .根据实验要求进行数据处理。注：样品为N型错长l=6mm 宽a=4mm 厚d=0. 6mmRh=-0.0185*10 -3*0.6*10 -3/1.000*10 -3*200*10 -3=-5.55X10 -2 cm 3/c八.思考题1. 霍尔系数测量中，有哪些副效应？其形成的机制是什么？

19、如何消 除？文案大全(2)能答：(1)爱廷豪森效应斯脱效应(3)里纪-勒杜克效应(4)电极位置不对称产生的电压改变I和B的方向，使从计算结果中消除，而却因与I、B方向同步变化而无法消除，但忽略不计引起的误差很小，可以超导材料临街转变温度的测量一. 实验目的1、了解超导材料研究历史、进展以及实验研究的一般过程2、初步学会文献资料的检索、收集与整理。3、初步了解低温物理实验方法。4、了解高临界温度氧化物超导材料电阻率的温度特性。二. 实验仪器HT288型高Tc超导体电阻-温度特性测量仪三. 实验原理图为本机工作的原理示意。图中所示的低温度恒温器用导热性能良 好的紫铜制成，超导样品及铂电阻温度传感器

20、置于其上， 并形成良好 的热接触。加热器是为稳态法测量而设置的。当低温度恒温器处于液 氮中或液氮液面以上不同位置时，低温恒温器的温度将有相应的变 化。按典型的四端子法的样品及温度传感器分别联接至各自的恒流源 和放大器，以减小测量误差。数据经数据采集、处理传输系统送入电 子计算机运算并在显示器上显示。 仪器内安装有自动控温系统。它由 放大器、温度设定器、PID控制器及加热功率控制器等部分组成。稳 态测量时将所设定的温度值显示在计算机屏幕上，同时自动调整加热功率，使温度平衡。1. 超导样品2. 铂电阻温度传感器3. 加热器4. 标准电阻56 恒流源7.8.9.高增益高精密测量放 10.比较器11温

21、度设定器12.PID控制器13加热功率控制器14.微处理器HT288型高Tc超导体电阻一温度特性测量实验步骤（一）准备工作将液氮注入液氮杜瓦瓶，再将装有测量样品的低温恒温器浸入液 氮，固定于支架上，并用电缆连接至 HT288测量仪“恒温器输入” 端，再用通讯电缆将测量仪与计算机串行口 1联接。如无支架可将保温套套入恒温器。将超导软件装入 WINDOWS98系统或XP系统的电脑中。（二）开启仪器开启电脑电源，待系统启动完成后，用鼠标点击电脑屏幕上的“数 据采集”图标后，开启测量仪器电源进入数据采集工作程序，电脑屏 幕显示“ HT288型超导体电阻一温度特性测量仪”。（三）动态测量将“动态测量/稳

22、态测量”开关拨至“动态测量”，系统进入动态 测量模式。1.动态自动测量拨动“自动/手动”开关，选择“自动”工作模式。“自动”指示 灯亮，“正向/反向”指示灯交替闪烁，表示系统已开始采集数据。在 电脑显示器右部“工作参数”区“样品电流方向”栏交替显示“正向” 和“反向”。提升装有样品的低温恒温器，使其脱离液氮液面，温度将逐渐升高，此时在计算机屏幕上逐点描出两条电压一温度特性曲 线。计数：表示数据采集开始后所有采集到的有效数据的计数 值；样品当前温度：表示低温恒温器温度传感器所测到的恒温器当前 温度值，单位为（K）。若温度变化缓慢，温度传感器与样品之间的温 度误差可以被忽略，因此该温度值可表征为样品温度值 ；样品正向电压值：表示当流过样品的电流为正向时所测得的样品 两端的电压降数值，单位为（mV）；样品反向电压值：表示当流过样品的电流为反向时所测得的样品 两端的电压降数值，单位为（mV）；样品电流值：表示正向和反向流过样品的电流的平均值，单位为 （mA）；改变恒温器与液面的距离，可以获得不同变化速率的