1、实验名称：四探针法测量半导体的电阻率和方块电阻 一、 实验目的 : 1掌握四探针法测量半导体材料 电阻率和方块电阻 的基本原理。 2掌握半导体电阻率 和方块电阻 的测量方法。 3. 掌握半导体 电阻率和方块电阻的换算 。 4了解和控制各种影响测量结果的不利因素。 二、 实验原理： 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
2、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 ，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 ()rV 为 () 2r IV r (1) 同理，当电流由探针流出样品时，在 r 处形成的电势 ()rV 为 () 2r IV r (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： 2 11()22IV s
3、s (3) 同理，探针 3 处的电势 3V 为 3 11()22IV ss (4) 探针 2 和 3 之间的电势差 23V 为 23 2 3 2IV V V s (5) 由此可得出样品的电阻率为 232 Vs I . (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 。上述 6 式是在班无穷大样品的基础上导出的，要求样品厚度及边缘与探针之间的最近距离大于 4 倍探针间距。 对于不满足半无穷大的样品，当两根外探针通以电流 I 时，在两根内探针之间
4、仍可测到电势差 23V ，这时，可定义一个“表观电阻率” 0 230 02 VsBI . (7) 引进修正因子 B0，已有人对一些常用的样品情况对 B0的数值做了计算。 通常选择电流 302 10sI B 由（ 7）式可知， 323 10V 即为电阻率的数值。因此测试时应选择合适的电流，电流太小，检测电压有困难；电流太大会由于非平衡载流子注入或发热引起电阻率降低。 对于高阻半导体样品，光电导效应和探针与半导体形成金 半肖特基接触的光生伏特效应可能严重地影响电阻率测试结果，因此对于高阻样品，测试时应该特别注意避免光照。 对于热电材料，为了避免温差电动努对测量的影响，一般采用交流两探针法测量 电阻
5、率 。 在半导体器件生产中，通常用四探针法来测量扩散层的薄层电阻。在 p 型或 n 型单晶衬底上扩散的 n 型杂质或 p 型杂质形成一 pn 结。由于反向 pn 结的隔离作用，可将扩散层下面的衬底视作绝缘层，因而可由四探针法测出扩散层的薄层电阻 ，当扩散层的厚度 0.53s，并且晶片面积相对于探针间距可视作无穷大时，样品薄层电阻为 s ln2VR I (8) 薄层电阻也称为方块电阻 R 。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，如图 2 所示，则 LLR S dW d (9) R 单位为 / 。可见， R 阻值大小与正方形的边
6、长无关，故取名为方块电阻，仅仅与薄膜的厚度有关。用等距直线排列的四探针法，测量薄层厚度 d 远小于探针间距 s 的无穷大薄层样品，得到的电阻称之为薄层电阻。 图 2 薄层电阻示意图 在用四探针法测量半导体的电阻率时，要求探头边缘到材料边缘的距离远远大于探针间距，一般要求 10 倍以上；要在无振动的条件下进行，要根据被测对象给予探针一定的压力，否则探针振动会引起接触电阻变化。光电导和光电压效应严重影响电阻率测量，因此要在无强光直射的条件下进行测量。半导体有明显的电阻率温度系数，过大的电流会导致电阻加热，所以测量要尽可能在小电流条件下进行。高频讯号会引入寄生电流，所以测量设备要远离高频讯号发生器或
7、者有足够的屏蔽，实现无高频干扰。 三、实验内容： 1 用四探针法测量不同尺寸硅片的 电阻率和方块电阻 ； 2 用四探针法测量不同 扩散工艺 硅片的 电阻率和方块电阻 ； 3. 在有光照和无光照条件下观察硅片 方阻值的变化。 四、实验仪器： CN61M/KDY-4 型电阻率测试仪， KD 型四探针测试架（探针间距 s=1mm） 五、实验步骤： 1.打开四探针测试仪背后电源，预热 30 分钟。 2.按下操作面板中“恒流源”按钮，选择“ 10mA”“电阻率”“正测”测试档。 3.将样片放在测试架台上，尽量避免沾污样品表面。 4.缓慢下放测试架使探针轻按在样片上，听到测试仪内部发出的“咔”声，电流表、
8、电压表有示数即可，注意下放速度避免压碎样片。 5.查找样片厚度对应的电流表示数（见附件），并根据此数据调节“粗调”“细调”旋钮，按 “电流选择”键直至电压表示数中从首位不为 0 起有 3 位数字，记录此时数据即电阻率值。 6.选择“方块电阻”档，调节“粗调”“细调”旋钮使电流表示数为“ 453”，按“电流选择”键直至电压表示数中从首位不为 0 起有 3 位数字，记录此时数据即方块电阻值。 7测试完后将探针上移，并用保护套保护探针。 8.用完后关电源。 注意事项 （ 1）仪器接通电源，至少预热 15 分钟才能进行测量 . （ 2）仪器如经过剧烈的环境变化或长期不使用，在首次使用时应通电预热 2-3小时，方可进行测量。 （ 3）在测量过程中应注意电源电压不要超过仪器的过载允许值。 （ 4）切记保护探针。 六、实验结果及分析处理： 1. 不同尺寸硅片的电阻率和方阻。 2不同扩散工艺硅片的电阻率和方阻。 3.光照对半导体材料的影响。 4.对实验结果进行讨论。 七、 思考题 （ 1） 样品尺寸对硅 片的方阻有无 影响 ？为什么？ （ 2） 方块电阻和掺杂浓度有何关系？ （ 3） 光照如何影响材料的电阻率？为什么？ （ 4） 能否用四探针法测量 n/n+外延片及 p/p+外延片外延层的电阻率和方块电阻 ? （ 5） 能否用四探针法测量 n/p 外延片外延层的电阻率和方块电阻？
