完整版四探针法测电阻率

1、实验 四探针法测电阻率1 .实验目的：学习用四探针法测量半导体材料的体电阻率和扩散薄层的电阻率及方块电阻.2 .实验内容 硅单晶片电阻率的测量：选不同电阻率及不同厚度的大单晶圆片,改变条件光照 与否,对测量结果进行比较.薄层电阻率的测量：对不同尺寸的单面扩散片和双面扩散片的薄层电阻率进行测 量.改变条件进行测量与相同,对结果进行比较.百1四携计他浏电阻翼原理国mi归国胪朗电阻率焚皆.半无狎大样品棕首 府的分布及半琢等箝面k正方褥伸列的四据钟跚3直浅排列却西探针围那3 .实验原理:在半导体器件的研制和生产过程中常常要对半导体单晶材料的原始电阻率和经过扩散、外延等工艺处理后的薄层电阻进行测量.测量

2、电阻率的方法很多,有两探针法,四探针法,单探针扩展电阻法, 范德堡法等,我们这里介绍的是四探针法.由于这种方法简便可行,适于批量生产,所以目前得到了广泛应用.所谓四探针法,就是用针间距约1毫米的四根金属探针同时压在被测样品的平整表面上如图1a所示.利用恒流源给 1、4两个探针通以小电流,然后在 2、3两个探针上 用高输入阻抗的静电计、 电位差计、电子毫伏计或数字电压表测量电压, 最后根据理论 公式计算出样品的电阻率 ：1：V23C I式中,C为四探针的修正系数, 单位为厘米,C的大小取决于四探针的排列方法和针距,探针的位置和间距确定以后,探针系数C就是一个常数；V23为2、3两探针之间的电压,

3、单位为伏特；I为通过样品的电流,单位为安培.半导体材料的体电阻率和薄层电阻率的测量结果往往与式样的形状和尺寸密切相 关,下面我们分两种情况来进行讨论. 半无限大样品情形(a)为四探针测量电阻(c)和(d)分别为正方形图1给出了四探针法测半无穷大样品电阻率的原理图,图中 率的装置；(b)为半无穷大样品上探针电流的分布及等势面图形；所以,排列及直线排列的四探针图形.由于四探针对半导体外表的接触均为点接触, 图1 ( b)所示的半无穷大样品,电流 I是以探针尖为圆心呈径向放射状流入体内的.于是,样品电阻率为p,因而电流在体内所形成的等位面为图中虚线所示的半球面.径为r,间距为dr的两个半球等位面间的

4、电阻为dR 2 dr,2 r2它们之间的电位差为dV IdR 一§dr.2 r2考虑样品为半无限大,在r8处的电位为 0,所以图1 ( a)中流经探针1的电流 Ir点形成的电位为Vr12dr .r 2 r22 r流经探针1的电流在2、3两探针间形成的电位差为r121, r13流经探针4的电流与流经探针1的电流方向相反,所以流经探针4的电流I在探针2、3之间引起的电位差为于是流经探针1、 4之间的电流在探针2、 3之间形成的电位差为1111 or12r13r42r43由此可得样品的电阻率为2 V231Ir121343上式就是四探针法测半无限大样品电阻率的普遍公式.在采用四探针测量电阻率

5、时通常使用图1 (c)的正方形结构(简称方形结构)和S,图1 (d)的等间距直线形结构,假设方形四探针和直线四探针的探针间距均为那么对于直线四探针有r12 r43S,r13r422S332 S V23I对于方形四才针有12 % S, k 1 2S2 S V232 、2 I无限薄层样品情形当样品的横向尺寸无限大,而其厚度t又比探针间距S小得多的时候,我们称这种样品为无限薄层样品. 图2给出了用四探针测量无限薄层样品电阻率的示意图.图中被 测样品为在p型半导体衬底上扩散有 四个探针在硅片外表的接触点,探 针间距为S,n型扩散薄层的厚度为 t,并且t<<S, I+表示电流从探针1 流入硅

6、片,I-表示电流从探针4流出 硅片.与半无限大样品不同的是, 这里探针电流在 n型薄层内近似为 平面放射状,其等位面可近似为圆 柱面.类似前面的分析,对于任意 排列的四探针,探针1的电流 I在 样品中r处形成的电位为* L I 国,无限薄层棒品电阻率抑U1至式中P为n型薄层的平均电阻率.于是探针1的电流I在2、 3探针间所引起的电位差Vr 1-dr ln r为V23 1'ln3ln32 tr132 tr12同理,探针4的电流I在2、3探针间所引起的电位差为所以探针1和探针4的电流V23 4ln 2 t43I在2、 3探针之间所引起的电位差是V23ln 2 tr42 ri343r12ri

7、2对于直线四探针,利用 r12 r43 S,rrr13r422S可得2 tV2321n2已中于是得到四探针法测无限薄层样品电阻率的普遍公式为2 tV23IJ2s可得对于方形四探针,利用 r12r43S, r13r42124313422 t V23Rs,它ln2 I在对半导体扩散薄层的实际测量中常常采用与扩散层杂质总量有关的方块电阻与扩散薄层电阻率有如下关系：_11S Xj q oXjNdX q NXj这里Xj为扩散所形成的pn结的结深.这样对于无限薄层样品, 方块电阻可以表示如下:直线四探针：RS 二37Xj ln 2 I3(b)陋W羊闺井肱和总画犷散的那片匕)单面Tift的薄层,m 感面扪敦

8、的薄品方形四探针：RS 38Xj ln 2 I在实际测量中,被测试的样品往往不满足上述的无限大条件,样品的形状也不一定相同,因此常常要引入不同的修正系数.实际测量中的扩散样片可能有两种情况：单面扩散片和双面扩散片,如图 3所示.这两种样品的修正系数分别列于附录中的表.图4 SZT-2A四探针测试仪4.实验装置及本卷须知实验装置实验装置如图4所示.电路中的恒流源所提供的电流是连续可调的,电压表采用电 位差计或数字电压表.实验所用的探针通常采用耐磨的导电硬质合金材料,如鸨、碳化 鸨等.探针要求等间距配置, 并使其具有很小的游移误差.在探针上需加上适当的压力,以减小探针与半导体材料之间的接触电阻.本

9、卷须知半无限大样品是指样品厚度及任意一根探针距样品最近边界的距离远大于探针 间距,如果这一条件不能得到满足那么必需进行修正. 为了预防探针处的少数载流子注入,提升外表复合速度,待测样品的外表需经粗砂打磨或喷砂处理. 在测量高阻材料及光敏材料时需在暗室或屏蔽盒内进行. 由于电场太大会使载流子的迁移率下降,导致电阻率测量值增大,故须在电场 强度E<1V/cm的弱场下进行测量. 为了预防大电流下的热效应,测试电流应尽可能低,但须保证电压的测试精度.不同电阻率样品的电流选择大致为2电阻举范围Q cm测量电流mA<0.0121000.080.6100.4-6014012000.1>8000.01为了满足探针与半导体的接触为欧姆接触,探针上须加上一定的压力.对于体 材料,一般取12kg;对于薄层材料或外延材料选取200g. 当室温有较大波动时,最好将电阻率折算到23c时的电阻率.由于半导体的电阻率对温度很敏感.如果有必要考虑温度对电阻率的