探針測量半導體或金屬薄膜電阻率

1、實驗三(I 探針測量半導體或金屬薄膜電阻率1. 熟悉四探針測量半導體或金屬薄膜電阻率的原理2. 掌握四探針測量材料電阻率的方法薄膜材料是支持現代高新技術不斷發(fā)展的重要材料之一,已經被廣泛地應用在 微電子器件、微驅動器 / 微執(zhí)行器、微型傳感器中。金屬薄膜的電阻率是金屬薄膜 材料的一個重要的物理特性 , 是科研開發(fā)和實際生產中經常要測量的物理特性, 對金 屬薄膜電阻率的測量也是四端法測量低電阻材料電阻率的一個實際的應用,它比傳 統的四端子法測量金屬絲電阻率的實驗更貼近現代高新技術的發(fā)展。直流四探針法也稱為四電極法,主要用于半導體材料或超導體等的低電阻率的 測量。使用的儀器以及與樣品的接線如圖 3

2、-1所示。由圖可見,測試時四根金屬探 針與樣品表面接觸,外側兩根 1、 4為通電流探針,內側兩根 2、 3為測電壓探針。 由電流源輸入小電流使樣品內部產生壓降,同時用高阻抗的靜電計、電子毫伏計或 數字電壓表測出其他二根探針的電壓即 V 23(伏 。 (a儀器接線 (b點電流源 (c四探針排列圖 3-1 四探針法測試原理示意圖若一塊電阻率為 的均勻半導體樣品, 其幾何尺寸相對于探針間距來說可以看作 半無限大。當探針引入的點電流源的電流為 I ,由于均勻導體內恒定電場的等位面 為球面,則在半徑為 r 處等位面的面積為 2r 2,電流密度為j=I/2r 2(3-1根據電導率與電流密度的關系可得E =

3、2222r I r I j= (3-2 則距點電荷 r 處的電勢為r I V 2= (3-3半導體內各點的電勢應為四個探針在該點形成電勢的矢量和。通過數學推導可 得四探針法測量電阻率的公式為:132412 1111(2-+-=r r r r C 為探針系數,單位為 cm ; r 12、 r 24、 r 13、 r 34分別 為相應探針間的距離,見圖 3-1c 。若四探針在同一平面的同一直線上,其間距分別 為 S 1、 S 2、 S 3,且 S 1=S2=S3=S時,則S I V S S S S S S I V 2 1111(223133221123=+-+-=- (3-5 這就是常見的直流等間

4、距四探針法測電阻率的公式。為了減小測量區(qū)域, 以觀察電阻率的不均勻性, 四根探針不定都排成直線, 而可排成正方形或矩形,此時,只需改變計算電阻率公式中的探針系數 C 。四探針法的優(yōu)點是探針與半導體樣品之間不要求制備合金結電極,這給測量帶 來了方便。四探針法可以測量樣品沿徑向分布的斷面電阻率,從而可以觀察電阻率 的不均勻情況。由于這種方法可迅速、方便、無破壞地測量任意形狀的樣品且精度 較高,適合于大批生產中使用。但由于該方法受針距的限制,很難發(fā)現小于 0.5mm 兩點電阻的變化。根據樣品在不同電流(I 下的電壓值(V 計算出該樣品的電阻值及電阻率, 例如某一種薄膜樣品,在薄膜的面積為無限大或遠大

5、于四探針中相鄰探針間距的時 候,金屬薄膜的電阻率 可以由以下式算出。ln 2VF d I= 四探針法測量金屬薄膜電阻率的原理圖 d恒流源 四探針薄膜電流三.實驗裝置:1. 四探針組件、2. SB118 精密直流電流源3. PZ158 A 直流數字電壓表 .四.實驗步驟:1. 預熱:打開 SB118電流源和 PZ158A 電壓表的電源開關,使儀器預熱 30分鐘2. 放置被測樣品:首先擰動四探針支架上的銅螺柱, 松開四探針與小平臺的接觸, 將樣品放置于小平臺上,然后再擰動銅螺柱,使四探針的所有針尖同樣品薄膜有良 好的接觸即可。注意事項 :a 滑動,以免探針的針尖滑傷薄膜。b 樣品薄膜,只要四探針的所有針尖同樣品薄膜有良好的接觸即可。3. 聯機將四探針的四個接線端子, 分別正確地接入相應的位置, 即 接線板上最 外面的端子, 對應于四探針的最外面二根針, 應接入 SB118電流源的電流輸出孔上,而接線板上內側的二個端子,對應于四探針的內側的二根針應接在 PZ158A 電壓表 的輸入孔上。如圖 2四探針法測量金屬薄膜電阻率的原理圖注意:在聯接 SB118電流源前, 應先將其電流輸出調節(jié)到零, PZ158A 可選擇在 0.2V 或 2V 量程。4. 測量使用 SB118電流源部分,選擇合適的電流輸出量程,以及適