探针测量半导体或金属薄膜电阻率

1、实验三(I 探针测量半导体或金属薄膜电阻率1. 熟悉四探针测量半导体或金属薄膜电阻率的原理2. 掌握四探针测量材料电阻率的方法薄膜材料是支持现代高新技术不断发展的重要材料之一,已经被广泛地应用在 微电子器件、微驱动器 / 微执行器、微型传感器中。金属薄膜的电阻率是金属薄膜 材料的一个重要的物理特性 , 是科研开发和实际生产中经常要测量的物理特性, 对金 属薄膜电阻率的测量也是四端法测量低电阻材料电阻率的一个实际的应用,它比传 统的四端子法测量金属丝电阻率的实验更贴近现代高新技术的发展。直流四探针法也称为四电极法,主要用于半导体材料或超导体等的低电阻率的 测量。使用的仪器以及与样品的接线如图 3

2、-1所示。由图可见,测试时四根金属探 针与样品表面接触,外侧两根 1、 4为通电流探针,内侧两根 2、 3为测电压探针。 由电流源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 数字电压表测出其他二根探针的电压即 V 23(伏 。 (a仪器接线 (b点电流源 (c四探针排列图 3-1 四探针法测试原理示意图若一块电阻率为 的均匀半导体样品, 其几何尺寸相对于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 2r 2,电流密度为j=I/2r 2(3-1根据电导率与电流密度的关系可得E =

3、2222r I r I j= (3-2 则距点电荷 r 处的电势为r I V 2= (3-3半导体内各点的电势应为四个探针在该点形成电势的矢量和。通过数学推导可 得四探针法测量电阻率的公式为:132412 1111(2-+-=r r r r C 为探针系数,单位为 cm ; r 12、 r 24、 r 13、 r 34分别 为相应探针间的距离,见图 3-1c 。若四探针在同一平面的同一直线上,其间距分别 为 S 1、 S 2、 S 3,且 S 1=S2=S3=S时,则S I V S S S S S S I V 2 1111(223133221123=+-+-=- (3-5 这就是常见的直流等间

4、距四探针法测电阻率的公式。为了减小测量区域, 以观察电阻率的不均匀性, 四根探针不定都排成直线, 而可排成正方形或矩形,此时,只需改变计算电阻率公式中的探针系数 C 。四探针法的优点是探针与半导体样品之间不要求制备合金结电极,这给测量带 来了方便。四探针法可以测量样品沿径向分布的断面电阻率,从而可以观察电阻率 的不均匀情况。由于这种方法可迅速、方便、无破坏地测量任意形状的样品且精度 较高,适合于大批生产中使用。但由于该方法受针距的限制,很难发现小于 0.5mm 两点电阻的变化。根据样品在不同电流(I 下的电压值(V 计算出该样品的电阻值及电阻率, 例如某一种薄膜样品,在薄膜的面积为无限大或远大

5、于四探针中相邻探针间距的时 候,金属薄膜的电阻率 可以由以下式算出。ln 2VF d I= 四探针法测量金属薄膜电阻率的原理图 d恒流源 四探针薄膜电流三.实验装置:1. 四探针组件、2. SB118 精密直流电流源3. PZ158 A 直流数字电压表 .四.实验步骤:1. 预热:打开 SB118电流源和 PZ158A 电压表的电源开关,使仪器预热 30分钟2. 放置被测样品:首先拧动四探针支架上的铜螺柱, 松开四探针与小平台的接触, 将样品放置于小平台上,然后再拧动铜螺柱,使四探针的所有针尖同样品薄膜有良 好的接触即可。注意事项 :a 滑动,以免探针的针尖滑伤薄膜。b 样品薄膜,只要四探针的所有针尖同样品薄膜有良好的接触即可。3. 联机将四探针的四个接线端子, 分别正确地接入相应的位置, 即 接线板上最 外面的端子, 对应于四探针的最外面二根针, 应接入 SB118电流源的电流输出孔上,而接线板上内侧的二个端子,对应于四探针的内侧的二根针应接在 PZ158A 电压表 的输入孔上。如图 2四探针法测量金属薄膜电阻率的原理图注意:在联接 SB118电流源前, 应先将其电流输出调节到零, PZ158A 可选择在 0.2V 或 2V 量程。4. 测量使用 SB118电流源部分,选择合适的电流输出量程,以及适