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1、四探针测试电阻率和方块电阻的实验教案一、实验教学目的通过该实验，通过让学生测试不同样品的电阻率和方块电阻。增强学生的实际动手能力，加深对电阻率和方块电阻的认识，为将来从事微电子相关的研究和测试方面的工作打好基础。二、实验教学原理及要求1、实验教学原理电阻率是决定半导体材料电学特性的重要参数，它为自由载流子浓度和迁移率的函数。半导体材料电阻率的测量方法有多种，其中四探针法具有设备简单、操作方便、测量精度高，以及对样品的形状无严格的要求等优点，是目前检测半导体材料电阻率的主要方法。直线型四探针法是用针距为s（通常情况s=1mm）的四根金属同时排成一列压在平整的样品表面上，如图1所示，其中最外部二根
2、（图1中1、4两探针）与恒定电流源连通，由于样品中有恒电流I通过，所以将在探针2、3之间产生压降V。图1测量方阻的四探针法原理对半无穷大均匀电阻率的样品，若样品的电阻率为，点电流源的电流为I，则当电流由探针流入样品时，在r处形成的电势为 (1)同理，当电流由探针流出样品时，在r处形成的电势为(2)可以看到，探针2处的电势是处于探针点电流源+I 和处于探针4处的点电流源-I贡献之和，因此： (3)同理，探针3处的电势为 (4) 探针2和3之间的电势差为. (5)由此可得出样品的电阻率为 . (6)从式（1）至式（6），对等距直线排列的四探针法，已知相连探针间距s，测出流过探针1和探针4的电流强度
3、I、探针2和探针3之间的电势差，就能求出半导体样品的电阻率。上述6式是在班无穷大样品的基础上导出的，要求样品厚度及边缘与探针之间的最近距离大于4倍探针间距。对于不满足半无穷大的样品，当两根外探针通以电流I时，在两根内探针之间仍可测到电势差，这时，可定义一个“表观电阻率” . (7)引进修正因子B0，已有人对一些常用的样品情况对B0的数值做了计算。通常选择电流. (8)联立（7-8）式可知，即为电阻率的数值。因此测试时应选择合适的电流，电流太小，检测电压有困难；电流太大会由于非平衡载流子注入或发热引起电阻率降低。 对于高阻半导体样品，光电导效应和探针与半导体形成金半肖特基接触的光生伏特效应可能严
4、重地影响电阻率测试结果，因此对于高阻样品，测试时应该特别注意避免光照。 对于热电材料，为了避免温差电动努对测量的影响，一般采用交流两探针法测量电阻率。在半导体器件生产中，通常用四探针法来测量扩散层的薄层电阻。在 p 型或 n 型单晶衬底上扩散的 n 型杂质或 p 型杂质形成一pn 结。由于反向 pn 结的隔离作用，可将扩散层下面的衬底视作绝缘层，因而可由四探针法测出扩散层的薄层电阻 ，当扩散层的厚度0.53s，并且晶片面积相对于探针间距可视作无穷大时，样品薄层电阻为 . (8)薄层电阻也称为方块电阻。长L和宽W相等的一个方块的电阻称为方块电阻。如果一个均匀导体是一宽为W、厚度为d的薄层，如图2
5、所示，则 . (9)单位为。可见，阻值大小与正方形的边长无关，故取名为方块电阻，仅仅与薄膜的厚度有关。用等距直线排列的四探针法，测量薄层厚度d远小于探针间距s的无穷大薄层样品，得到的电阻称之为薄层电阻。图2 薄层电阻示意图在用四探针法测量半导体的电阻率时，要求探头边缘到材料边缘的距离远大于探针间距，一般要求10倍以上；要在无振动的条件下进行，要根据被测对象给予探针一定的压力，否则探针振动会引起接触电阻变化。光电导和光电压效应严重影响电阻率测量，因此要在无强光直射的条件下进行测量。半导体有明显的电阻率温度系数，过大的电流会导致电阻加热，所以测量要尽可能在小电流条件下进行。高频讯号会引入寄生电流，所以测量设备要远离高频讯号发生器或者有足够的屏蔽，实现无高频干扰。 2、实验教学要求1）学会用四探针测试仪进行不同材料电阻率和方块电阻参数的测试2）深入理解电阻率和方块电阻的物理意义三、实验重点及难点1）要求独立完成电阻率和方块电阻的测试2）要求深入分析方块电阻的测试原理3）要求独立分析光照对电阻率和方块电阻阻值的影响四、实验学时安排本实验学时：2学时五、实验操作注意事项1、严格按照设备操作规程使用设备，避免操作失误导致设备故障或损坏；3、实验人员一律穿工作服上岗，保持工作台面及设备器具整洁，注意环境卫生；4、实验完成后收好样品、关机，切断电源。
