实验一：四探针法测电阻的电阻率

物理专业实验报告专业 班级1姓名 学号 实验名称四探针法测电阻的电阻率实验地点 实验日期 【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【实验仪器】SX1944型数字式四探针测试仪；硅单晶；TiO2陶瓷样品；SB118精密直流恒流源；直流数字电压表【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。图1四探针法电阻率测量原理示意图

若一块电阻率为P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兀r2，电流密度为(1)根据电流密度与电导率的关系j=oE可得(2)距离点电荷r处的电势为(3)V=(3)2兀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(4)c/1 1 1 1、VV(4)P=2兀(— — + )-1•23=C•T3TOC\o"1-5"\h\zrrrrI I12 24 13 34式中，C=2n(——1——-+丄)-1为探针系数，与探针间距有关，单位为cm。rrrr12 24 13 34(5)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

c/1 1 11、V…V(5)P=2兀(—H)—1•23=2兀S•—23S2S2SSI I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0.5mm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。【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可。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。【实验数据】方块电阻：厚度w=2.32mm长度l=48.00mm探针间距s=1mm实验中电流区间为0〜100uA 实验电流I=0.591mA电阻R=15Q【思考题】1、记录半导体或金属样品的电阻率，分析电阻率的影响因素。答：温度的影响一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大，半导体材料的电阻率则随温度的升高而减小。教师评语：实验预习：（认真、 较认真、一般、较差、很差）;占30%原始数据及实验结果：（