实验一：四探针法测半导体电阻率
四探针方法测电阻率 原理公式推导
0W S2l1n2D(dS)
探针方法测量半导体的电阻率
〈一〉实验目的 〈二〉实验原理 〈三〉仪器结构特征 〈四〉操作步骤 〈五〉注意事项 〈六〉技术参数
<一> 实验目的
1、理解四探针方法测量半导体电阻率的原理； 2、学会用四探针方法测量半导体电阻率。
<二> 实验原理
1、体电阻率测量：
当１、２、３、４四根 金属探针排成一直线时， 并以一定压力压在半导体 材料上，在１、４两处探 针间通过电流I，则２、３ 探针间产生电位差V。
四探针法测量原理图Βιβλιοθήκη 材料电阻率 VC(1)
I
探针系数
C 11
20π 1
1
(2)
S1 S2 S1S2 S2S3
式中：S1、S2、S3分别为探针１与２，２与３，３ 与４之间距，用cm为单位时的值，S1=S2=S3=1mm. 每个探头都有自己的系数。C6.280.05单位cm。
若电流取I = C 时，则ρ＝V，可由数字电压表直 接读出。
4、将工作选择档置于“自校”，使电流显示出 “１９９＊”，各量程数值误差为４字。
5、将工作选择档置于“调节”，电流调节在I ＝6.28=C，C为探针几何修正系数。
1.显示板 2、单位显示灯 3、电流量程开关 4、工作选择开关 （短路、测量、调节、自校选择）5、电压量程开关6、输入插 座7、调零细调8、调零粗调9、电流调节10、电源开关11、电 流选择开关 12、极性开关
材料物理性能实验六四探针法测半导体电阻率
材料物理性能实验六四探针法测半导体电阻率引言：材料的电阻率是衡量材料导电性能的重要指标之一、在半导体材料中，由于带电载流子的特殊特性，其电阻率与探测方法有一定的关联。
因此，对于半导体材料的电阻率测试与分析是十分关键的。
实验目的：通过四探针法测量半导体样品的电阻率，分析半导体电阻率的特点。
实验器材与材料：1.半导体样品2.四探针测试仪3.电源4.万用表5.连接线实验步骤：1.将四探针测试仪的四个探针插入半导体样品的表面，探针之间应呈正方形或矩形排列，并保持一定的间距。
2.打开四探针测试仪，选择合适的电流和电压范围，并进行零点校准。
3.调节电源，使电流通过半导体样品。
4.采集电压和电流的数值，并记录下来。
5.换一个电流方向，重复步骤46.将采集到的数据带入电阻率的计算公式，并计算出半导体样品的电阻率。
7.执行多次实验，取平均值得到更准确的结果。
数据处理：根据步骤6，将采集到的电压和电流数值带入下面的公式计算半导体样品的电阻率：ρ=(V*a)/(I*l)其中，ρ为电阻率，V为电压，I为电流，a为电流方向上的电流距离，l为垂直电流方向上的电流距离。
讨论与分析：通过实验测量得到的半导体样品的电阻率与其物理性质有关。
半导体的电阻率通常较高，且受温度的影响较大。
在常温下，半导体的电阻率通常较大，因为带电载流子在晶体内处于散乱运动的状态，导致电阻增大。
当温度升高时，带电载流子的能量增大，散射减少，电阻率减小。
此外，不同类型的半导体（n型或p型）其电阻率也有所不同。
实验注意事项：1.进行四探针法测量时，应保持探针与半导体样品的接触良好，防止有氧化层或其他杂质影响测量结果。
2.在调节电流和电压范围时，应注意不要超过半导体样品所能承受的最大值，以免损坏样品。
3.进行多次实验取平均值时，应尽量保持实验条件的一致性，以获得准确的结果。
结论：通过实验测量得到的半导体样品电阻率可用于分析半导体的导电特性。
半导体的电阻率通常较高且温度敏感。
四探针法测量半导体的电阻率
正向电压/Mv正向ρ/Ω㎝反向电压/mV反向ρ/Ω㎝正向电压/mV正向ρ/Ω㎝反向电压/mV反向ρ/Ω㎝0.53 1.060.460.920.440.880.51 1.020.480.960.51 1.020.490.980.490.980.51 1.020.480.960.490.980.470.940.470.940.52 1.040.470.940.490.980.510.51 1.020.450.90.520.94平均ρ/Ω㎝0.99平均ρ/Ω㎝0.96表面不均匀度0.1414表面不均匀度16.67%正向电压/mV正向ρ/Ω㎝反向电压/mV反向ρ/Ω㎝正向电压/mV正向ρ/Ω㎝反向电压/mV反向ρ/Ω㎝0.360.0720.360.0720.350.070.350.070.340.0680.360.0720.340.0680.350.070.370.0740.370.0740.360.0720.370.0740.360.0720.360.0720.350.070.350.070.330.0660.360.0720.360.0720.360.072平均ρ/Ω㎝0.071平均ρ/Ω㎝0.071表面不均匀度11.43%表面不均匀度8.45%正向电压/mV正向ρ/Ω㎝反向电压/mV反向ρ/Ω㎝正向电压/mV正向ρ/Ω㎝反向电压/mV反向ρ/Ω㎝2.570.15 2.550.15 2.570.15 2.580.162.430.14 2.420.14 2.50.14 2.480.142.560.152.610.152.540.152.530.15平均ρ/Ω㎝0.15平均ρ/Ω㎝0.15表面不均匀度14.51%表面不均匀度16.28%四探针法测量半导体的电阻率1.060.961.020.9410.811.212345样品1正面正向电阻率0.921.020.961.041.020.811.212345样品1正面反向电阻率0.880.980.980.940.90.8112345样品1反面正向电阻率1.020.980.940.980.940.811.212345样品1反面反向电阻率0.0720.0680.0740.0720.0660.060.070.0812345样品2正面正向电阻率0.0720.0720.0740.0720.0720.070.0720.0740.07612345样品2正面反向电阻率0.070.0680.0720.070.0720.0650.070.07512345样品2反面正向电阻率0.070.070.0740.070.0720.0650.070.07512345样品2反面反向电阻率0.150.140.150.130.140.150.16123样品3正面正向电阻率0.150.140.150.130.140.150.16123样品3正面反向电阻率0.150.140.150.130.140.150.16123样品3反面正向电阻率0.160.140.150.120.140.160.18123样品3反面反向电阻率。
半导体物理-四探针方法测电阻率
5、将工作选择档置于“调节”，电流调节在I ＝6.28=C，C为探针几何修正系数。
1.显示板 2、单位显示灯 3、电流量程开关 4、工作选择开关 （短路、测量、调节、自校选择）5、电压量程开关6、输入插 座7、调零细调8、调零粗调9、电流调节10、电源开关11、电 流选择开关 12、极性开关
２．四探针测试探头：探针间距：１mm；游 移率：±1.0%；探针：碳化钨 Φ0.5mm 压力：0~2kg可调。
（a）块状和棒状样品体电阻率测量： 由于块状和棒状样品外形尺寸与探针间距 比较，合乎于半无限大的边界条件，电阻 率值可以直接由（１）、（２）式求出。
（b）簿片电阻率测量 簿片样品因为其厚度与探针间距比较， 不能忽略，测量时要提供样品的厚度形 状和测量位置的修正系数。
电阻率值可由下面公式得出：
C
V I
G(W S
)D( d S
)
0G(WS
)D( d S
)
式中：ρ0 为块状体电阻率测量值；
W：为样品厚度（um）；S：探针间距（mm）；
G(W/S)为样品厚度修正函数，可由附录IA位置的修正函数，可由附
录２查得。W/S＜0.5时，实用。
当圆形硅片的厚度满足W/S＜0.5时，电阻率为：
0
W S
1 2 ln 2
D(d ) S
2、带扩散层的方块电阻测量 当半导体薄层尺寸满足于半无限大时：
R0
(V
ln 2 I
)
4.53V I
若取I ＝ 4.53 I0，I0为该电流量程满度值， 则R0值可由数字表中直接读出的数乘上10 后得到。
<三> 仪器结构特征
四探针法测电阻率共14页
实验四探针法测电阻率1．实验目的：学习用四探针法测量半导体材料的体电阻率和扩散薄层的电阻率及方块电阻。
2．实验内容①硅单晶片电阻率的测量：选不同电阻率及不同厚度的大单晶圆片，改变条件（光照与否），对测量结果进行比较。
②薄层电阻率的测量：对不同尺寸的单面扩散片和双面扩散片的薄层电阻率进行测量。
改变条件进行测量（与①相同），对结果进行比较。
3．实验原理：在半导体器件的研制和生产过程中常常要对半导体单晶材料的原始电阻率和经过扩散、外延等工艺处理后的薄层电阻进行测量。
测量电阻率的方法很多，有两探针法，四探针法，单探针扩展电阻法，范德堡法等，我们这里介绍的是四探针法。
因为这种方法简便可行，适于批量生产，所以目前得到了广泛应用。
所谓四探针法，就是用针间距约1毫米的四根金属探针同时压在被测样品的平整表面上如图1a所示。
利用恒流源给1、4两个探针通以小电流，然后在2、3两个探针上用高输入阻抗的静电计、电位差计、电子毫伏计或数字电压表测量电压，最后根据理论公式计算出样品的电阻率［１］式中，C为四探针的修正系数，单位为厘米，C的大小取决于四探针的排列方法和针距，探针的位置和间距确定以后，探针系数C 就是一个常数；V 23为2、3两探针之间的电压，单位为伏特；I 为通过样品的电流，单位为安培。
半导体材料的体电阻率和薄层电阻率的测量结果往往与式样的形状和尺寸密切相关，下面我们分两种情况来进行讨论。
⑴ 半无限大样品情形图1给出了四探针法测半无穷大样品电阻率的原理图，图中(a)为四探针测量电阻率的装置；(b)为半无穷大样品上探针电流的分布及等势面图形；(c)和(d)分别为正方形排列及直线排列的四探针图形。
因为四探针对半导体表面的接触均为点接触，所以，对图１（b ）所示的半无穷大样品，电流I 是以探针尖为圆心呈径向放射状流入体内的。
因而电流在体内所形成的等位面为图中虚线所示的半球面。
于是，样品电阻率为ρ，半径为r ，间距为dr 的两个半球等位面间的电阻为 它们之间的电位差为 dr r IIdR dV 22πρ==。
四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻
在半无穷大样品上的点电流源， 若样品的电阻率ρ均匀， 引入点电流源的探针其电流
强度为 I，则所产生的电力线具有球面的对称性， 即等位面为一系列以点电流为中心的半
球面，如图 2-1 所示。在以ｒ为半径的半球面上，电流密度ｊ的分布是均匀的：
j= I 2πr 2
（2-1）
若 E 为ｒ处的电场强度， 则
E = jρ = Iρ 2πr2
2
r12
1 r13
3
r34
4
r24
ss s
12
3
4
图 2-2 任意位置的四探针
图 2-3 直线型四探针
ρ = V23 2πS I
（2-9）
2-9 式就是常见的直流四探针 (等间距) 测量电阻率的公式， 也是本实验要用的测量公式之 一。需要指出的是： 这一公式是在半无限大样品的基础上导出的，实用中必需满足样品厚度 及边缘与探针之间的最近距离大于四倍探针间距， 这样才能使该式具有足够的精确度。
包围。同样需要注意的是当片状样品不满足极薄样品的条件时，仍需按式(2.10)计算电阻
率P。其修正系数Bo列在表 2.3 中。
2. 扩散层的薄层电阻
半导体工艺中普遍采用四探针法测量扩散层的薄层电阻，由于反向 pn 结的隔离作
用，扩散层下的衬底可视为绝缘层，对于扩散层厚度(即结深 Xj)远小于探针间距 S，而横
向尺寸无限大的样品，则薄层电阻率为：
s d
d 2d
ρ = 2π s × V
B0
I
s d
B0
s d
0.1
1.0009
0.6
B0
s d
1.1512
1.2
B0 1.7329
0.2
半导体物理实验复习思考题
半导体物理实验复习思考题
一、四探针法测量半导体电阻率实验：
1. 半导体材料包括哪些重要的电学性能，与哪些因素密切相关？
2. 为什么要用四探针进行测量，如果只用两根探针，能否对半导体电阻率准确测量？
3. 什么叫薄层（方块）电阻，它有什么特性？
4. 分析直流四探针法测量半导体材料电阻率的基本原理，并推导电阻率测量公式。
5. 如何选择合适的测量电流？
6. 测量电阻率误差的来源有哪些，如何修正？
二、少数载流子寿命测量实验：
1．什么是多数载流子？什么是少数载流子？
2. 什么是非平衡载流子？什么叫做光注入？
3. 为什么要测量并且一般只测量少数载流子寿命？
4. 少数载流子寿命的物理意义。
5．分析示波器显示曲线的变化规律，如何利用其测量少子寿命？6．影响少子寿命的因素有哪些。
三、X射线衍射分析晶体结构实验：
1.X射线的波长范围是多少，它是如何产生的？
2.简述X射线在近代物理学发展史上的重要地位及意义。
3.X射线在晶体中产生衍射的条件？
4.X射线在晶体中产生的衍射方向和衍射强度分别取决于什么？
5.X射线衍射仪包括哪几个主要部分，各自基本工作原理是什么？
6.实验基本操作步骤如何，为什么实验中要首先打开并保证冷却水
运行？
7.为什么我们在使用X射线衍射仪进行晶体结构分析实验时最好使
用粉末样品？
8.如何根据被测样品的衍射图谱确定其物相？。
半导体物理实验——四探针法测半导体材料电阻
半导体物理实验——四探针法测半导体材料电阻四探针法的原理是将四个探针分别接触到半导体材料的表面，在一个恒定的电流下测量电压的变化，从而计算出材料的电阻。
与传统的两探针法相比，四探针法排除了接触电阻对电阻测量的干扰，从而得到更为准确的结果。
在进行实验之前，需要准备好以下器材和器件：半导体样品、四探针测试仪、示波器、多用途电源等。
首先，将半导体样品放置在四探针测试台上，保证样品表面平整。
接下来，使用四个探针将样品分别接触，确保四个探针之间的距离尽量相等，并且垂直于样品表面切面。
在接触探针的过程中，需要注意避免对样品造成损伤。
接触完四个探针后，将示波器和多用途电源连接到四探针测试仪上。
示波器用于测量电压的变化，而多用途电源则提供恒定的电流。
通过调节多用途电源的参数，可以使得流过样品的电流保持恒定。
开始实验之前，需要对四探针测试仪进行校准。
校准的目的是消除探针接触电阻的影响，确保测量结果的准确性。
校准时，将四个探针分别接触到一个已知电阻的样品上，通过测量电压和电流的变化来确定校准系数。
校准完成后，开始进行实际的测量。
首先，通过调节多用途电源的参数使得电流稳定在预定的数值。
然后，使用示波器测量电压的变化，并记录下来。
在测量过程中，可以逐渐调节电流的数值，以获得多组测量数据，从而提高测量结果的可靠性。
测量完成后，可以根据测得的电流和电压数据，计算出半导体样品的电阻。
根据四探针法的原理，可以得到以下公式：电阻率ρ = (π/ln2) × (d/U) × (U/I)其中，d是四个探针之间的距离，U是电压的变化值，I是电流的恒定值。
除了电阻率，四探针法还可以用来计算半导体材料的载流子浓度。
载流子浓度是半导体材料性能的重要指标之一，在半导体器件研发和生产过程中有着广泛的应用。
通过四探针法测量半导体材料的电阻，可以得到材料的电学性质信息，为半导体器件的设计和制造提供重要的依据。
实验人员可以根据实验结果，进一步探究半导体材料的物理特性，并优化材料的制备工艺，提高器件的性能。
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实验一：四探针法测量半导体电阻率
1、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
2、实验仪器
XXXX 型数字式四探针测试仪；XXXX 型便携式四探针测试仪；硅单晶；
3、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V 23。
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
2r ，电流密度为
2
/2j
I r
（1）
根据电流密度与电导率的关系
j E 可得
2
2
22j
I I E
r
r
（2）
距离点电荷r 处的电势为
2I V
r
（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
1
232312
24
13
34
11112(
)
V V C
r r r r I
I
（4）
式中，1
12
24
13
34
11112(
)C
r r r r 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S 时，则被测样
品的电阻率为
1
232311112(
)222V V S
S
S
S
S
I
I
（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
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（V 23），还可以计算出所测样品的电阻率。
4、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。
5、实验数据及处理
1. 多次测量去平均值，减小测量误差
单晶硅的电阻率平均值实验数据12.88 13.54 14.62 13.68
2.分析测量电阻率中误差的来源
四探针法是测量一恒流源在样品不同位置引起的电位差得出材料的电阻率 . 为获得精确的测试结果,必须保持四根探针和样品表面良好、稳定的弹性接触. 它要求探针比较尖及保持适当的接触压力,这就常常造成材料表面损伤并使测量
值易受外界干扰,这种情况在测量薄条带或薄膜样品时更为明显.
另外,虽然测量电流很小( < 100?mA) ,但探针与样品接触的面积也很小,由局部热效应产生的电动势有时能达到被测量信号的量级. 虽然改变电流方向可以
抵偿大部分热电势影响,但对于电阻率的细微变化,还是不易得到好的结果,且不宜连续测量. 在此基础上发展起来的交流四探针方法能够消除电接触区的热电
势,但它对交流电流源和检测信号的交流放大器稳定性的要求极为严格,且仍存
在接触稳定性问题. 这些因素造成四探针法对于电阻值的微小变化不敏感,阻碍了仔细分析材料组织结构的微弱变化过程
6、注意事项
1.压下探头时,压力要适中,以免损坏探针
2.由于样品表面电阻可能分布不均,测量时应对一个样品多测几个点,然后取平均值
3.样品的实际电阻率还与其厚度有关,还需查附录中的厚度修正系数,进行修正。