实验一：四探针法测半导体电阻率

1、实验一：四探针法测量半导体电阻率1、实验目的（1）熟悉四探针法测量半导体或金属材料电阻率的原理（2）掌握四探针法测量半导体或金属材料电阻率的方法2、实验仪器XXXX型数字式四探针测试仪；XXX）型便携式四探针测试仪；硅 单晶；3、实验原理半导体材料是现代高新技术中的重要材料之一，已在微电子器 件和光电子器件中得到了广泛应用。半导体材料的电阻率是半导体 材料的的一个重要特性，是研究开发与实际生产应用中经常需要测 量的物理参数之一，对半导体或金属材料电阻率的测量具有重要的 实际意义。直流四探针法主要用于半导体材料或金属材料等低电阻率的测 量。所用的仪器示意图以及与样品的接线图如图 1 所示。由图

2、1（a） 可见，测试过程中四根金属探针与样品表面接触，外侧 1 和 4 两根 为通电流探针，内侧 2 和 3 两根是测电压探针。由恒流源经 1 和 4 两根探针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它两根探针 （探针 2 和探针 3）之间 的电压 V23。若一块电阻率为 的均匀半导体样品，其几何尺寸相对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2 r2，电流密度为(1)2j I /2 r根据电流密度与电导率的关系j E可得E 丄 rk距离点电荷r处的电势为(3)V

3、 J2 r半导体内各点的电势应为四个探针在该点所形成电势的矢量和。通过数学推导，四探针法测量电阻率的公式可表示为2 (丄丄丄丄 ri2r24ri3r341 ?V23C ?y23 II(4)式中，C2 G ±三扣为探针系数，与探针间距有关，单位为cm。若四探针在同一直线上，如图1（a）所示，当其探针间距均为S时,则被测样品的电阻率为12S12S2 S?(5)此即常见的直流等间距四探针法测电阻率的公式。有时为了缩小测量区域，以观察不同区域电阻率的变化，即电阻 率的不均匀性，四根探针不一定都排成一直线，而可排成正方形或 矩形，如图1（b）所示，此时只需改变电阻率计算公式中的探针系数 C 即

4、可。四探针法的优点是探针与半导体样品之间不要求制备接触电极， 极大地方便了对样品电阻率的测量。四探针法可测量样品沿径向分 布的断面电阻率，从而可以观察电阻率的不均匀性。由于这种方法 允许快速、方便、无损地测试任意形状样品的电阻率，适合于实际 生产中的大批量样品测试。但由于该方法受到探针间距的限制，很 难区别间距小于两点间电阻率的变化。根据样品在不同电流（I ）下的电压值（V23），还可以计算出所测样 品的电阻率。4、实验内容1、预热：打开SB118恒流源和PZ158A电压表的电源开关（或四 探针电阻率测试仪的电源开关），使仪器预热 30分钟。2、放置待测样品：首先拧动四探针支架上的铜螺柱，松开

5、四探 针与小平台的接触，将样品置于小平台上，然后再拧动四探针支 架上的铜螺柱，使四探针的所有针尖同样品构成良好的接触即3、联机：将四探针的四个接线端子，分别接入相应的正确的位置，即接线板上最外面的端子，对应于四探针的最外面的两根探 针，应接入SB118恒流源的电流输出孔上，二接线板上内侧的两 个端子，对应于四探针的内侧的两根探针，应接在PZ158A电压表的输入孔上，如图1（a）所示。4、测量：使用SB118恒流源部分，选择合适的电流输出量程，以及适当调节电流（粗调及细调），可以在 PZ158A上测量出样 品在不同电流值下的电压值，利用公式（5）即可计算出被测样 品的电阻率 。5、实验数据及处理

6、1. 多次测量去平均值，减小测量误差单晶硅的电阻率平均值实验数据2.分析测量电阻率中误差的来源四探针法是测量一恒流源在样品不同位置引起的电位差得出材 料的电阻率.为获得精确的测试结果，必须保持四根探针和样品表 面良好、稳定的弹性接触.它要求探针比较尖及保持适当的接触压 力，这就常常造成材料表面损伤并使测量值易受外界干扰，这种情况在测量薄条带或薄膜样品时更为明显.另外，虽然测量电流很小（ 100?）,但探针与样品接触的面积 也很小，由局部热效应产生的电动势有时能达到被测量信号的量级虽然改变电流方向可以抵偿大部分热电势影响，但对于电阻率的细微变化,还是不易得到好的结果，且不宜连续测量.在此基础上发展 起来的交流四探针方法能够消除电接触区的热电势，但它对交流电流源和检测信号的交流放大器稳定性的要求极为严格，且仍存在接触稳定性问题.这些因素造成四探针法对于电阻值的微小变化不敏 感,阻碍了仔细分析材料组织结构的微弱变化过程6、注意事