1、實(shí)驗(yàn)三（I） 探針測(cè)量半導(dǎo)體或金屬薄膜電阻率一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉四探針測(cè)量半導(dǎo)體或金屬薄膜電阻率的原理2. 掌握四探針測(cè)量材料電阻率的方法二實(shí)驗(yàn)原理薄膜材料是支持現(xiàn)代高新技術(shù)不斷發(fā)展的重要材料之一，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在微電子器件、微驅(qū)動(dòng)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(gè)重要的物理特性,是科研開(kāi)發(fā)和實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常要測(cè)量的物理特性，對(duì)金屬薄膜電阻率的測(cè)量也是四端法測(cè)量低電阻材料電阻率的一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用，它比傳統(tǒng)的四端子法測(cè)量金屬絲電阻率的實(shí)驗(yàn)更貼近現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展。直流四探針?lè)ㄒ卜Q為四電極法，主要用于半導(dǎo)體材料或超導(dǎo)體等的低電阻率的測(cè)量。使用的儀器以及與樣品的接線如圖

2、3-1所示。由圖可見(jiàn)，測(cè)試時(shí)四根金屬探針與樣品表面接觸，外側(cè)兩根1、4為通電流探針，內(nèi)側(cè)兩根2、3為測(cè)電壓探針。由電流源輸入小電流使樣品內(nèi)部產(chǎn)生壓降，同時(shí)用高阻抗的靜電計(jì)、電子毫伏計(jì)或數(shù)字電壓表測(cè)出其他二根探針的電壓即V23(伏)。(a) 儀器接線 (b)點(diǎn)電流源 (c)四探針排列圖3-1 四探針?lè)y(cè)試原理示意圖若一塊電阻率為r的均勻半導(dǎo)體樣品，其幾何尺寸相對(duì)于探針間距來(lái)說(shuō)可以看作半無(wú)限大。當(dāng)探針引入的點(diǎn)電流源的電流為I，由于均勻?qū)w內(nèi)恒定電場(chǎng)的等位面為球面，則在半徑為r處等位面的面積為2pr2，電流密度為j=I/2pr2(3-1)根據(jù)電導(dǎo)率與電流密度的關(guān)系可得E(3-2)則距點(diǎn)電荷r處的電勢(shì)

3、為(3-3)半導(dǎo)體內(nèi)各點(diǎn)的電勢(shì)應(yīng)為四個(gè)探針在該點(diǎn)形成電勢(shì)的矢量和。通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得四探針?lè)y(cè)量電阻率的公式為：(3-4)式中，為探針系數(shù)，單位為cm；r12、r24、r13、r34分別為相應(yīng)探針間的距離，見(jiàn)圖3-1c。若四探針在同一平面的同一直線上，其間距分別為S1、S2、S3，且S1=S2=S3=S時(shí)，則(3-5)這就是常見(jiàn)的直流等間距四探針?lè)y(cè)電阻率的公式。為了減小測(cè)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(shí)，只需改變計(jì)算電阻率公式中的探針系數(shù)C。四探針?lè)ǖ膬?yōu)點(diǎn)是探針與半導(dǎo)體樣品之間不要求制備合金結(jié)電極，這給測(cè)量帶來(lái)了方便。四探針?lè)梢詼y(cè)量樣品沿徑向

4、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(wú)破壞地測(cè)量任意形狀的樣品且精度較高，適合于大批生產(chǎn)中使用。但由于該方法受針距的限制，很難發(fā)現(xiàn)小于0.5mm兩點(diǎn)電阻的變化。根據(jù)樣品在不同電流（I）下的電壓值（V）計(jì)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(wú)限大或遠(yuǎn)大于四探針中相鄰探針間距的時(shí)候，金屬薄膜的電阻率可以由以下式算出。三實(shí)驗(yàn)裝置：1. 四探針組件、2. SB118 精密直流電流源3. PZ158 A 直流數(shù)字電壓表.四實(shí)驗(yàn)步驟：1. 預(yù)熱：打開(kāi)SB118電流源和PZ158A電壓表的電源開(kāi)關(guān)，使儀器預(yù)熱30分鐘2. 放置被測(cè)樣品：首先擰

5、動(dòng)四探針支架上的銅螺柱，松開(kāi)四探針與小平臺(tái)的接觸，將樣品放置于小平臺(tái)上，然后再擰動(dòng)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(xiàng):a) 在擰動(dòng)四探針架上的銅螺柱時(shí)，用手扶住四探針架，不要讓四探針在樣品表面滑動(dòng)，以免探針的針尖滑傷薄膜。b) 在擰動(dòng)四探針支架上的銅螺柱時(shí)，不要擰得過(guò)緊，以免四探針的針尖嚴(yán)重刺傷樣品薄膜，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(lián)機(jī) 將四探針的四個(gè)接線端子，分別正確地接入相應(yīng)的位置，即 接線板上最外面的端子，對(duì)應(yīng)于四探針的最外面二根針，應(yīng)接入SB118電流源的電流輸出孔上，而接線板上內(nèi)側(cè)的二個(gè)端子，對(duì)應(yīng)于四探針的內(nèi)側(cè)的二根針應(yīng)接在PZ158A電壓表的輸入孔上。如圖2四探針?lè)y(cè)量金屬薄膜電阻率的原理圖注意：在聯(lián)接SB118電流源前，應(yīng)先將其電流輸出調(diào)節(jié)到零，PZ158A可選擇在0.2V或2V量程。4. 測(cè)量 使用SB118電流源部分，選擇合適的電流輸出量程，以及適當(dāng)調(diào)節(jié)電流（粗調(diào)及細(xì)調(diào)），可以在PZ158A上測(cè)量出樣品在不同電流下的電壓值。 注意:a) 在切換電流量程時(shí)，應(yīng)先將電流輸出調(diào)至近零，以免造成電流對(duì)樣品的沖擊。b) 在選擇電流時(shí)，對(duì)某些樣品，最大的電流值對(duì)應(yīng)的電壓值一般不超過(guò)5mV，流過(guò)樣品薄膜的電流太大，導(dǎo)致樣品發(fā)熱，從而影響