简易导电薄膜方块电阻测试仪

简易导电薄膜方块电阻测试仪　

赵立波　

（哈尔滨佛雷克斯热能技术发展有限公司　黑龙江哈尔滨　１５００００）　

【摘要１本文基于四探针法的测量原理，设计了一种简　

易的导电薄膜方块电阻测试仪。该测试仪设计了一个稳定可　

靠的可调恒流源，并在此基础上设计了量程转换电路和显示　

电路，从而可以对方块电阻值在０－－－２Ｘ　１０６ｎ／口范围内的ＩＴＯ　

膜进行准确测量。　

【关键词】导电薄膜；方块电阻　

１、引言　

近年来随着平面显示器、太阳能电池、热镜、智能窗和薄膜电　

池的发展，涌现出了大量的透明半导体薄膜材料。而导电薄膜因　

具有一系列独特性能，从而得到了广泛的应用。　

２、系统结构与测量原理　

此测试仪可以由电池供电，也可以ＡＣ／ＤＣ开关电源供电，主　

要分为恒流源部分、电压采集电路、量程转换电路、数模转换电路　

和显示部分。测试仪的测量范围为Ｏ至２　Ｘ　１０　Ｑ／口。由于范围较　

大，所以可以满足大多数导电薄膜的方块电阻测量。　

３、关键测试部分设计　

恒流源设计由测试仪的结构可以看出，恒流源是最重要的一　

个环节。恒流源的精度直接影响到测量的精度，恒流源的性能在　

很大程度上决定了整个测试仪的性能。　

对恒流源有以下要求：　

（１）精度要高，测量时电流要始终保持恒定：　

（２）电流的不能太小，否则．不能Ｉ　ｒｋｅｄ流过样品；　（３）电流注入样品时会产生少子注人问题，电流的注入还会使　

样品发热，样品的被测区域的温度会升高。一般的掺杂半导体在　

温度升高（在室温附近）时。载流子的晶格散射作用会加强，引起　

电阻率增加。所以注入电流的数值也不能过大。　

（４）随被测样品电阻率的不同，要选择不同的注入电流来进行　

测量，即恒流源的输出电流必须可调。　

但是也有其难以克服的不足之处：　

（１）电路的工作范围受到限制。由“串联型稳压电路”的原理　

可知，为了使电路的输出稳定，其静态工作点必须处于调整管的　

线性放大区。但在电路输出的调节范围很大的情况下，静态工作　

点会发生改变。当输出电流Ｉ。减小时，负载上的电压减小，造成调　

整管的Ｕ　增大，静态工作点向截止区移动，在极端情况下工作点　

会进入截止区使电路失去稳定的功能。反之。当输出电流　ｌ　增大　

时。负载上的电压增大．造成调整管的Ｕ　减小，静态工作点向饱　

和区移动。在极端情况下工作点会进入饱和区，从而使电路失去　

稳定的功能。　

（２）输出效率低，大部分电流浪费在调节管上。输入的电压需　

要经过三极管的调节再加到负载上，即三极管需要分担负载上不　

需要的电压。当输出电流需求较小时，三极管上就承担了较多的　

电压。整个电路的转化效率比较低。　

但是，由于晶体管均工作在放大状态，且晶体管串入了样品　

测量电路之中．这了保证晶体管工作在放大状态，则必须保证Ｕ　

大于Ｕ匪。否则，它们将进入饱和状态。这意味着各晶体管的集电　

极与发射极之间要有０ｌ７Ｖ左右的电压差。在电源电压有限的情　

况下，如果被测样品的电阻较高。则集射集上分压小。要满足上述　

条件就比较困难。　

用运算放大器构成恒流源电路由运算放大器Ａ１、Ａ２及其外　

接电阻组成．Ａ１、Ａ２采用高阻型运放。运算放大器Ａ１、Ａ２按理想　

参数及忽略基准电压源ｖｏ内阻对恒流源输出特性影响时，为了解　

决上述问题，采用了一种恒流源．　

ＬＭ３１７的输出端经过电位器Ｒ３接到集成运放的反相输入　

端。可调式精密稳压源ＴＬ４３１的输出端接到集成运放的同相输入　

端。ＬＭ３１７的输出设为１．５Ｖ，ＴＬ４３１的输出设为２　５Ｖ。Ｌ１，Ｌ２分　

９６活力２０１０・１　别接在样品的两端，作为样品的电流输入端。电路的工作原理是：　

负载电路在获得运放的输出电流的同时，还给运放引入负反馈，　

由于运放具有“虚短路”的特性，其反相输入端和同相输入端的电　

位近似相等，都为＋２．５　Ｖ。因此，在流过Ｒ３恒定为ｌｏ，其大小由下　

式决定：　

。＝　＝　（３）　

再根据运放“虚开路”的特性，流进运放输入端的电流近似为　

零。由于负载与Ｒ３组成通路．所以负载中的电流与Ｉ。相等。由式　

（３）可以看出，通过调节电位器Ｒ。就可得到不同大小的恒定电流。　

这种电路使用稳压器件设置电压，利用带有深度负反馈的集　

成运放来输出电流，这些都有利于提高恒流源电流的稳定性；而　

且，电路中的集威运放用拉电流驱动负载，使其充分利用了运放　

的负载驱动能力。通过ＬＭ３１７和ＴＬ４３１的精调电阻可以对它们　

的输出电压进行精密调节，从而提高了恒流度。　

因此，可以采用减法电路。取得样品两端的电压差，从而来得　

到采样电压。　

最常用的减法电路有以下两种，　

第一个电路的缺点是同相输入和反相输入阻抗小而且不相　

等，这就要求驱动放大器的信号源的输出阻抗要低。四个电阻必　

须精确匹配，否则难以获得优良的共模抑制性能。而第二个电路　

克服了前都的缺点。其输入阻抗高，允许信号源为不平衡输出阻　

抗；缺点是共模电压输入范围随增益影响较大。但是在低增益时　

如果输入共模电压范围大幅度降低，很容易导致Ａ１饱和，且同样　

存在电阻匹配的问题。　

仪表放大器与减法电路相比优点：输入电阻更高，共模抑制　

比更大，对称性更好。本测试仪采用仪表放大器ＡＤ６２０。采样样品　

的电压。　

ＡＤ６２０能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电　

压漂移和低噪声等性能指标；只用一只外部电阻就能设置放大倍　

数，体积小，只有８个引脚；低功耗．最大供电电流为１．３ｍＡ。　

由于该电路结构上的对称性．输入放大器的共模信号最终会　

在输出级的减法器中被消除，从而具有放大差模信号的同时抑制　共模信号的功能。　

作为仪表放大器，ＡＤ６２０由于经过优化处理，所以具有更高　

精度和更低噪声的性能。另外在整个温度范围内都能使元件保持　

匹配，从而保证在宽温度范围内的性能优良。　

Ｖｏ＝（１＋　）（ＶＩ＋Ｖ　ｚ）　

ＡＤ６２０的共模输入和差分输入阻抗均为１０Ｇ欧姆远远大于　

被测样品最大值，所以用来采样电压是没有问题的。　

为了高精度的显示方块电阻值，本测试仪采样１２的ＡＤ转换　

芯片ＩＣＬ７１　２９及与ＩＣＬ７１　２９配套的４位半液晶显示器。　

综合考虑，将恒流源与ＡＤ的量程转换进行优化设计，使他们　

共用一个量程转换电路，使得量程转抽换快速一致。　

３．３测量结果及分析　

最后，此测试仪对不同阻值的导电薄膜的方块电阻进行了测　

量。　测量结果表明，此测试仪能对方块电阻值在０—２　Ｘ　１０６Ｑ／　

口范围内的导电薄膜进行较准确测量。　

【参考文献】　

［１】孙以材，刘新福等．微区薄层电阻四探针测试以及其应用［Ｊ］．固　

体电子学研究与进展，２００２，２２（１）：９３—９９　

［２】陈凯良．恒流源及其应用电路［Ｍ］．浙江科学技术出版社，１９９２．　

【３】周洁．半导体的检测与分析［Ｍ】．北京：科学出版社．１９８４．３７３—　

３８１