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实验一四探针法测试半导体的电阻率
实验项目性质: 普通实验
所涉及课程:半导体物理
计划学时:2学时
实验目的
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实验原理

对任意一块均匀的薄层半导体,厚W,宽h,长L。
图1 薄层半导体示意图
如果电流沿着垂直于宽和厚的方向,则电阻为,当时,表面成方块,它的电阻称为方块电阻,记为
,单位为(1)
式中的方块电阻与电阻层厚度h和电阻率有关,但与方块大小无关,这样得到
(2)
对于一扩散层,结深为,宽h,长L,则。
定义L=h时,为扩散层的方块电阻,
(3)
这里的、均为平均电阻率和平均电导率。
若原衬底的杂质浓度为,扩散层杂质浓度分布为,则有效杂质浓度分布为。在处,。
又假定杂质全部电离,则载流子浓度也是。则扩散层的电导率分布为,对结深的方向进行积分求平均,可得到
。(4)
若为常数,由(3)式,有。其中表示扩散层的有效杂质总量。当衬底的原有杂质浓度很低时,有,则
(单位面积的扩散杂志总量)
因此有。

将四根排成一条直线的探针以一定的压力垂直地压在被测样品表面上,在1、4探针间通过电流I(mA),2、3探针间就产生一定的电压V(mV)。(如图)

图2 直线四探针法测试原理图
材料电阻率
() (5)
式中C为探针修正系数,由探针的间距决定。当试样电阻率分布均匀,试样尺寸满足半无穷大条件时
C= (cm) (6)
式中:S1,S2,S3 分别为探针对1与2,2与3,3与4之间的距离,探头系数由制造厂对探针间距进行测定后确定,并提供给用户。每个探头都有自已的系数。
C≈±, 单位为cm (7)
(a)块状或棒状样品体电阻率测量:
由於块状或棒状样品外形尺寸远大於探针间距,符合半无穷大的边界条件,电阻率值可直接由(5)式求出。
(b)薄片电阻率测量:
薄片样品因为其厚度与探针间距相近,不符合半远穷大边界条件,测量时要附加样品的厚度,形状和测量位置的修正系数。其电阻率值可由下面公式得出
ρ= = (8)
式中ρ0为块状体电阻率测量值。样品厚度修正系数,可由附录1A或附录1B查得。W:样品厚度(μm);S探针间距(mm)
为样品形状与测量位置的修正函数可由附录2查得。d为样品的宽度或长度。
当圆形硅片的厚度满足<,电阻率为
ρ=ρ0 (9)
式中Ln2为2的自然对数。
当忽略探针几何修正系数时,即认为C=2πS时,
(10)
(c)扩散层的方块电阻测量
当半导体薄层尺寸满足于半无穷大平面条件时:
(11)
仪器主体部分由单片计算机, 液晶显示器、键盘、高灵敏度,高输入阻抗的方大器、双积分式A/D变换器、恒流源、,开关电源,DC-DC变换隔离电源。电动,手动或手持式四探针测试架(头)等组成。
三、 SZT—2A型四探针测试仪的使用
面板介绍:(实验现场讲解)
L: 主机数字及状态显示器
本仪器适配三种测试架(电动,手动,手持测试头),还可使用带有四个夹子的,四线法电阻测试输入插头,这四种输入插头虽然外形相同,使用同一个输入插座,但使用方法略有不同,以下将分别于以说明。
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面板:面板左侧为液晶显示器,显示器的第一行显示测量结果,阻单位(KΩ,Ω,mΩ)和测量方式的符号(“-cm”电阻率,“-口”方块电阻,“—”电阻)- 在正常测量时第二行将以较小的字号显示和第一行相同的数值,只有在超程时第一行显示四个横杠(- - - -),第二行则显示一个正在使用的测量方式可以显示的最大数值,例如电阻率测量可以显示的最大值为1256,方块电阻可以显示的最大值为9060,而电阻测量则可以显示的最大显示值为1999,(以上所示的值中小数点和单位均视测量当时所设量程而定,这里不作详述)。
面板右侧为指示灯和键盘,第一行5个指示灯分别指示当前恒流源的工作状态,这5个指示灯在任何情况下只有灯亮,如左起第一个灯亮则代表目前恒流源正在可以输出100mA恒定电流的工作状态。从左到右的5个指示灯分别指示了恒流源的“100mA”,“10mA”,“1mA”,“100μA”,“10μA” 5个工作状态。第二行三个指示灯,自左至右指示了三个电压量程(2V,200mV,20mV)。第三行三个指示灯,自左至右为测量方式指示(电阻率,方块电阻,电阻)。
指示灯下面为二行三列功能设置键,上面一行为左移键,第二行为右移键,左起第一列为恒流源设置键,第二列为测量方式设置键,第三列为电压量程设置键,最下面一个键为往复键,重复按键可以选择测量或保持二个状态,(必须注意!