实验二半导体电阻率和方阻测量的研究报告.docx
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实验二半导体电阻率和方阻测量的研究报告
实验二半导体电阻率和方阻测量的研究
一、实验意义
电阻率是半导体材料的重要电学参数之一,可以反映出半导体内浅能级替位杂质浓度，薄层电阻是表征半导体掺杂浓度的一个重要工艺参数。
测量电阻率与薄层电阻的方法很多，如二探针法、扩展电阻法等。
而四探针法是目前广泛采用的标准方法，它具有操作方便，精度较高，对样品的几何形状无严格要求等特点。
二、实验目的
1、了解四探针电阻率测试仪的基本原理；
2、了解的四探针电阻率测试仪组成、原理和使用方法；
3、能对给定的物质进行实验，并对实验结果进行分析、处理。
三、实验原理
测量 原理：
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探针间通以电流I（mA），2、3探针间就产生一定的电压V（mV）（如图1）。
测量此电压并根据测量方式和样品的尺寸不同，可分别按以下公式计算样品的电阻率、方块电阻、电阻：
`
.薄圆片（厚度≤4mm）电阻率：
F（D/S）╳F（W/S）╳W╳FspΩ·cm…
（1）
其中：
D—样品直径，单位：
cm或mm，注意与探针间距S单位一致；
S—平均探针间距，单位：
cm或mm，注意与样品直径D单位一致（四探针头合格证上的S值）；
W—样品厚度，单位：
cm，在F（W/S）中注意与S单位一致；
Fsp—探针间距修正系数（四探针头合格证上的F值）；
F（D/S）—样品直径修正因子。
当D→∞时，F（D/S）=4.532，有限直径下的F（D/S）由附表B查出：
F（W/S）—样品厚度修正因子。
W/S<0.4时，F（W/S）=1；W/S>0.4时，F（W/S）值由附表C查出；
I—1、4探针流过的电流值，选值可参考表5.2（第6页表5.2）；
V—2、3探针间取出的电压值，单位mV；
.薄层方块电阻Ｒ□：
Ｒ□＝
F（D/S）╳F（W/S）╳FspΩ/□…
（2）
其中：
D—样品直径，单位：
cm或mm，注意与探针间距S单位一致；
S—平均探针间距，单位：
cm或mm，注意与样品直径D单位一致（四探针头合格证上的S值）；
W—样品厚度，单位：
cm，在F（W/S）中注意与S单位一致；
Fsp—探针间距修正系数（四探针头合格证上的F值）；
F（D/S）—样品直径修正因子。
当D→∞时，F（D/S）=4.532，有限直径下的F（D/S）由附表B查出：
F（W/S）—样品厚度修正因子。
W/S<0.4时，F（W/S）=1；W/S>0.4时，F（W/S）值由附表C查出；
I—1、4探针流过的电流值，选值可参考表5.1（第6页表5.1）；
V—2、3探针间取出的电压值，单位mV；
①双面扩散层方块电阻Ｒ□
可按无穷大直径处理，此时F（D/S）=4.532，由于扩散层厚度W远远小于探针间距，故F（W/S）=1，此时
Ｒ□=4.532
Fsp
②单面扩散层、离子注入层、反型外延层方块电阻
此时F（D/S）值应根据D/S值从附表C中查出。
另外由于扩散层、注入层厚度W远远小于探针间距，故F（W/S）=1，此时有
Ｒ□＝
F（D/S）
Fsp
.棒材或厚度大于4mm的厚片电阻率ρ：
当探头的任一探针到样品边缘的最近距离不小于4S时，测量区的电阻率为：
Ω·cm…（3）
其中：
C＝2πS为探针系数，单位：
cm（四探针头合格证上的C值）；
S的取值来源于:
1/S=（1/S1+1/S3–1/（S1+S3）–1/（S2+S3）），S1为（1-2）针、S2为（2-3）针、
S3为（3-4）针的间距，单位：
cm；
I—1、4探针流过的电流值，单位mA,选值可参考表5.2（第6页表5.2）；
V—2、3探针间取出的电压值，单位mV；
.电阻的测量：
应用恒流测试法，电流由样品两端流入同时测量样品两端压降。
样品的电阻为：
Ω…（3）
其中：
I—样品两端流过的电流值，单位mA,选值可参考表5.2（第6页表5.2）；
V—样品两端取出的电压值，单位mV；
四、实验装置：
仪器分为电气部分、测试架两大部分，可以根据测试需要安放在一般工作台或者专用工作台上。
仪器电气原理如下图所示
4．仪 器 面板 说 明
RTS-8型四探针测试仪主要由主机（电气测量装置）、测试台、计算机组成，三部分独立放置，通过连接线联接。
该四探针测试仪亦可脱离计算机单独使用。
RTS-8型四探针测试仪仪表前面板说明
项目
说明
K1,K2,K3,K4,K5,K6
测量电流量程选择按键，共6个量程,当按相应的量程时，此量程按钮上方的指示灯会亮。
K7
“R□/ρ”测量选择按键，即是测量样品的方块电阻还是电阻率的选择按键，开机时自动设置在“Ｒ□”位。
按下此按键会在这两种测量状态下切换，按键上方的相应的指示灯会亮表示现处的测量类别。
K8
“电流/测量“方式选择按键，开机时自动设置在“I”位；按下此按键会在这两种模式下切换，按键上方的相应的指示灯会亮表示现处的状态。
即当处在“I”时表示数据显示屏显示的是样品测量电流值，用户可根据测量样品调节量程按键或电位器获得适合样品测量的电流。
当在“ρ/R□”时表示现处于测量模式下，数据显示屏显示的是方块电阻或电阻率的测量值。
K9
电流换向按键，按键上方的灯亮时表示反向。
灭时表示正向。
K10
低阻测试扩展按键（只在100mA量程档有效）,按键上方的灯指示开、关的状态。
W1,W2
W1－电流粗调电位器；W2－电流细调电位器。
P
与计算机通讯的并口接口。
L
显示测试值的数据显示屏，在不同的测试状态下分别用来显示样品的测试电流值、方块电阻测量值、电阻率测量值。
U
测试值的单位指示灯。
备注：
连机测量时用户只需对前面板电位器W1、W2进行操作（调节样品测试电流值）。
前面板的其它按键用户不需在主机上操作，在测量时完全由计算机
RTS-4四探针测试仪仪表前面板说明
项目
说明
K1,K2,K3,K4
测量电流量程选择按键，共4个量程,当按相应的量程时，此量程按钮上方的指示灯会亮。
K5
“R□/ρ”测量选择按键，即是测量样品的方块电阻还是电阻率的选择按键，开机时自动设置在“Ｒ□”位。
按下此按键会在这两种测量状态下切换，按键上方的相应的指示灯会亮表示现处的测量类别。
K6
“电流/测量“方式选择按键，开机时自动设置在“I”位；按下此按键会在这两种模式下切换，按键上方的相应的指示灯会亮表示现处的状态。
即当处在“I”时表示数据显示屏显示的是样品测量电流值，用户可根据测量样品调节量程按键或电位器获得适合样品测量的电流。
当在“ρ/R□”时表示现处于测量模式下，数据显示屏显示的是方块电阻或电阻率的测量值。
K7
电流换向按键，按键上方的灯亮时表示反向。
灭时表示正向。
W1,W2
W1－电流粗调电位器；W2－电流细调电位器。
P
与计算机通讯的并口接口。
L
显示测试值的数据显示屏，在不同的测试状态下分别用来显示样品的测试电流值、方块电阻测量值、电阻率测量值。
U
测试值的单位指示灯。
备注：
连机测量时用户只需对前面板电位器W1、W2进行操作（调节样品测试电流值）。
前面板的其它按键用户不需在主机上操作，在测量时完全由计算机控制。
主机后面板安装情况如下图所示：
项目
说明
1
电源开关
2
四探针探头连接插座
3
保险管
4
电源插座
5
输出控制端口
五、实验内容
首先按后面板说明用连接电缆将四探针探头与主机连接好，接上电源，再按以下步骤进行操作：
1.开启主机电源开关，此时“R□”和“I”指示灯亮。
预热约10分钟；
2.估计所测样品方块电阻或电阻率范围:
RTS-8型四探针测试仪按表5.1和表5.2选择适合的电流量程对样品进行测量，按下K1（1uA）、K2（10uA）、K3（100uA）、K4（1mA）、K5（10mA）、K6（100mA）中相应的键选择量程；（如无法估计样品方块电阻或电阻率的范围，则可先以“10μA”量程进行测量，再以该测量值作为估计值按表5.1和表5.2选择电流量程得到精确的测量结果）
方块电阻测量时电流量程选择表（推荐）
方块电阻（Ω/□）
电流量程
<2.5
100mA
2.0～25
10mA
20～250
1mA
200～2500
100uA
2000～25000
10uA
>20000
1uA
电阻率测量时电流量程选择表（推荐）
电阻率（Ω·cm）
电流量程
<0.03
100mA
0.03～0.3
10mA
0.3～30
1mA
30～300
100uA
300～3000
10uA
>3000
1uA
表5.1
表5.2
RTS-4型四探针测试仪按表5.3和表5.4选择适合的电流量程对样品进行测量，按下K1（0.1mA）、K2（1mA）、K3（10mA）、K4（100mA）中相应的键选择量程；（如无法估计样品方块电阻或电阻率的范围，则可先以“0.1mA”量程进行测量，再以该测量值作为估计值按表5.3和表5.4选择电流量程得到精确的测量结果）
方块电阻测量时电流量程选择表（推荐）
方块电阻（Ω/□）
电流量程
<2.5
100mA
2.0～25
10mA
20～250
1mA
>200
0.1mA
电阻率测量时电流量程选择表（推荐）
电阻率（Ω·cm）
电流量程
<0.03
100mA
0.03～0.3
10mA
0.3～30
1mA
>30
0.1mA
表5.3
表5.4
3.确定样品测试电流值:
放置样品，压下探针，使样品接通电流。
主机此时显示电流数值。
调节电位器W1和W2，即可得到所需的测试电流值。
推荐按以下方法，根据不同的样品测试类别计算出样品的测试电流值，然后调节主机电位器使测试电流为此电流值，即可方便得到需要测试样品的精确测试结果。
.测试薄圆片（厚度≤4mm）的电阻率：
按以下公式:
（详细说明见“实验原理”）
ρ＝V/I╳F（D/S）╳F（W/S）╳W╳Fsp╳10n（Ω·cm）
选取测试电流I：
I=F（D/S）╳F（W/S）╳W╳Fsp╳10n。
（式中各参数按“实验原理”中的定义可分别得出，n是整数与量程档有关）然后按此公式计算出测试电流数值。
▪在仪器上调整电位器“W1”和“W2”，使测试电流显示值为计算出来测试电流数值。
▪按以上方法调整电流后,RTS-8型四探针测试仪按“K8”键选择“R□/ρ”（或RTS-4型四探针测试仪按“K6”键选择“R□/ρ”）,RTS-8型四探针测试仪按“K7”键选择“ρ”（或RTS-4型四探针测试仪按“K5”键选择“ρ”）,仪器则直接显示测量结果（Ω·cm）。
然后RTS-8型四探针测试仪按“K9”键进行正反向测量（或RTS-4型四探针测试仪按“K7”键进行正反向测量），正反向测量值的平均值即为此点的实际值。
▪
.测试薄层方块电阻R□：
按以下公式:
（详细说明见“实验原理”）
Ｒ□＝V/I╳F（D/S）╳F（W/S）╳Fsp╳10n（Ω/□）
选取测试电流I：
I=F（D/S）╳F（W/S）╳Fsp╳10n。
（式中各参数按“实验原理”中的定义可分别得出，n是整数与量程档有关）然后计算出测试电流值。
▪在仪器上调整电位器“W1”和“W2”，使测试电流显示值为计算出来测试电流数值。
▪按以上方法调整电流后,RTS-8型四探针测试仪按“K8”键选择“R□/ρ”（或RTS-4型四探针测试仪按“K6”键选择“R□/ρ”,按“K7”键选择“R□”（或RTS-4型四探针测试仪按“K5”键选择“R□”）,仪器则直接显示测量结果（Ω/□）。
然后按“K9”键进行正反向测量（或RTS-4型四探针测试仪按“K7”键），正反向测量值的平均值即为此点的实际值。
六、实验报告要求
根据实验，完成一份完整的实验报告。
计算薄圆片中心点、半径中点、距边缘6mm处的方块电阻和电阻率。
七、思考题
1、分析测量电阻率误差的来源。
2、如果只用两根探针既作电流探针又作电压探针，这样能否对样品进行较为准确的测量？
为什么？
附录A：
脱机测量样品基本操作流程
附表B：
直径修正系数F（D/S）与D/S值的关系
位置
F（D/S）值
D/S值
中心点
半径中点
距边缘6mm处
>200
4.532
200
4.531
4.531
4.462
150
4.531
4.529
4.461
125
4.530
4.528
4.460
100
4.528
4.525
4.458
76
4.526
4.520
4.455
60
4.521
4.513
4.451
51
4.517
4.505
4.447
38
4.505
4.485
4.439
26
4.470
4.424
4.418
25
4.470
22.22
4.454
20.00
4.436
18.18
4.417
16.67
4.395
15.38
4.372
14.28
4.348
13.33
4.322
12.50
4.294
11.76
4.265
11.11
4.235
10.52
4.204
10.00
4.171
附表C：
厚度修正系数F（W/S）与W/S值的关系
W/S值
F（W/S）
W/S值
F（W/S）
W/S值
F（W/S）
W/S值
F（W/S）
<0.400
1.0000
0.605
0.9915
0.815
0.9635
1.25
0.8491
0.400
0.9997
0.610
0.9911
0.820
0.9626
1.30
0.8336
0.405
0.9996
0.615
0.9907
0.825
0.9616
1.35
0.8181
0.410
0.9996
0.620
0.9903
0.830
0.9607
1.40
0.8026
0.415
0.9995
0.625
0.9898
0.835
0.9597
1.45
0.7872
0.420
0.9994
0.630
0.9894
0.840
0.9587
1.50
0.7719
0.425
0.9993
0.635
0.9889
0.845
0.9577
1.55
0.7568
0.430
0.9993
0.640
0.9884
0.850
0.9567
1.60
0.7419
0.435
0.9992
0.645
0.9879
0.855
0.9557
1.65
0.7273
0.440
0.9991
0.650
0.9874
0.860
0.9546
1.70
0.7130
0.445
0.9990
0.655
0.9869
0.865
0.9536
1.75
0.6989
0.450
0.9989
0.660
0.9864
0.870
0.9525
1.80
0.6852
0.455
0.9988
0.665
0.9858
0.875
0.9514
1.85
0.6718
0.460
0.9987
0.670
0.9853
0.880
0.9504
1.90
0.6588
0.465
0.9985
0.675
0.9847
0.885
0.9493
1.95
0.6460
0.470
0.9984
0.680
0.9841
0.890
0.9482
2.00
0.6337
0.475
0.9983
0.685
0.9835
0.895
0.9471
2.05
0.6216
0.480
0.9981
0.690
0.9829
0.900
0.9459
2.10
0.6099
0.485
0.9980
0.695
0.9823
0.905
0.9448
2.15
0.5986
0.490
0.9978
0.700
0.9817
0.910
0.9437
2.20
0.5875
0.495
0.9976
0.705
0.9810
0.915
0.9425
2.25
0.5767
0.500
0.9975
0.710
0.9804
0.920
0.9413
2.30
0.5663
0.505
0.9973
0.715
0.9797
0.925
0.9402
2.35
0.5562
0.510
0.9971
0.720
0.9790
0.930
0.9390
2.40
0.5464
0.515
0.9969
0.725
0.9783
0.935
0.9378
2.45
0.5368
0.520
0.9967
0.730
0.9776
0.940
0.9366
2.50
0.5275
0.525
0.9965
0.735
0.9769
0.945
0.9354
2.55
0.5186
0.530
0.9962
0.740
0.9761
0.950
0.9342
2.60
0.5098
0.535
0.9960
0.745
0.9754
0.955
0.9329
2.65
0.5013
0.540
0.9957
0.750
0.9746
0.960
0.9317
2.70
0.4931
0.545
0.9955
0.755
0.9738
0.965
0.9304
2.75
0.4851
0.550
0,9952
0.760
0.9731
0.970
0.9292
2.80
0.4773
0.555
0.9949
0.765
0.9723
0.975
0.9279
2.85
0.4698
0.560
0.9946
0.770
0.9714
0.980
0.9267
2.90
0.4624
0.565
0.9943
0.775
0.9706
0.985
0.9254
2.95
0.4553
0.570
0.9940
0.780
0.9698
0.990
0.9241
3.00
0.4484
0.575
0.9937
0.785
0.9689
0.995
0.9228
3.2
0.422
0.580
0.9934
0.790
0.9680
1.00
0.9215
3.4
0.399
0.585
0.9930
0.795
0.9672
1.05
0.9080
3.6
0.378
0.590
0.9927
0.800
0.9663
1.10
0.8939
3.8
0.359
0.595
0.9923
0.805
0.9654
1.15
0.8793
4.0
0.342
0.600
0.9919
0.810
0.9644
1.20
0.8643
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