四探针测电阻率实验指导书及SZT-2A四探针测试仪使用说明书.docVIP

PAGE PAGE 3 实验七 四探针法测量材料的电阻率 实验目的 熟悉四探针法测量半导体或金属材料电阻率的原理 掌握四探针法测量半导体或金属材料电阻率的方法 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。 恒流源 恒流源 电压表 2 3 4 1 恒流源 电压表 1 3 4 2 样品 样品 a b 图1 四探针法电阻率测量原理示意图 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，由于均匀导体内恒定电场的等位面为球面，则在半径为处等位面的面积为，电流密度为 （1） 根据电流密度与电导率的关系可得 （2） 距离点电荷处的电势为 （3） 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） 式中，为探针系数，与探针间距有关，单位为cm。 若四探针在同一直线上，如图1(a)所示，当其探针间距均为时，则被测样品的电阻率为 （5） 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。 实验装置 四探针组件或四探针电阻率测试仪 SB118精密直流恒流源（如四探针电阻率测试仪中已内置恒流源，此部分不用） PZ158A直流数字电压表（如四探针电阻率测试仪中已内置恒流源，此部分不用） 实验步骤 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。 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。 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) 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。 注意事项 在拧动四探针支架上的铜螺柱时，用手扶住四探针架，不要让它在样品表面滑动，以免探针的针尖划伤样品表面。此外，铜螺柱不要拧得过紧，以免探针的针尖划伤样品，只要保证针尖与样品有良好接触即可。 在连接SB118恒流源前或更换样品前，应先将其电流输出调节至零。PZ158A电压表可选择在0.2V或2V量程。 在切换SB118恒流源的电流量程时，应先将其电流输出调节至零，以免造成电流对样品的冲击。 在选择电流时，对某些样品，最大的电流值对应的电压值一般不超过5mV，如果流过样品的电流过大，将会引起样品发热，影响测量结果。 在某一电流值下，测量电压时，可分别测量正反向电压，取平均值后用于电阻率的计算。 实验报告要求 简述实验目的、内容及过程； 简述四探针法测电阻率的原理； 记录半导体或金属样品的电