半導(dǎo)體電阻率測(cè)量實(shí)驗(yàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(shí)驗(yàn)三 四探針?lè)y(cè)量半導(dǎo)體電阻率、薄層電阻一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c意義電阻率是半導(dǎo)體材料的重要電學(xué)參數(shù)，它能反映半導(dǎo)體內(nèi)淺能級(jí)替位雜質(zhì)的濃度。薄層電阻是用來(lái)表征半導(dǎo)體摻雜濃度的一個(gè)重要工藝參數(shù)，也可用來(lái)表示半導(dǎo)體薄膜的導(dǎo)電性。測(cè)量電阻率和薄層電阻的方法有很多種，如二探針?lè)āU(kuò)展電阻法等。而四探針?lè)ㄊ悄壳皬V泛采用的標(biāo)準(zhǔn)方法，它具有操作方便，精度較高，對(duì)樣品的幾何形狀無(wú)嚴(yán)格要求等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生掌握四探針?lè)y(cè)量半導(dǎo)體電阻率和薄層電阻原理、方法；熟悉四探針測(cè)試儀；并能針對(duì)半導(dǎo)體樣品的不同幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量數(shù)值的修正。二. 實(shí)驗(yàn)原理設(shè)樣品電阻率均勻，樣品幾何尺寸相對(duì)于探針間的

2、距離可看成半無(wú)窮大。引入點(diǎn)電流源的探針其電流強(qiáng)度為I，則所產(chǎn)生的電力線(xiàn)有球面對(duì)稱(chēng)性，即等位面是以點(diǎn)電流源為中心的半球面，如圖3-1所示。在以r為半徑的半球上，電流密度j的分布是均勻的。圖3-1 探針與被測(cè)樣品接觸點(diǎn)的電流分布 （3-1）若E為r處的電場(chǎng)強(qiáng)度，則 (3-2)取r為無(wú)窮遠(yuǎn)處的電位為零，并利用 ，則有： （3-3） （3-4）式（3-2）就是半無(wú)窮大均勻樣品上離開(kāi)點(diǎn)電流源距離r的點(diǎn)的電位與探針流過(guò)的電流和樣品電阻率的關(guān)系式，它代表了一個(gè)點(diǎn)電流對(duì)距離為r處的點(diǎn)的電勢(shì)的貢獻(xiàn)。II1 2 3 4圖3-2 四根探針與樣品接觸示意圖對(duì)于圖3-2所示的情形，四根探針位于樣品中央，電流從探針流入，

3、從探針流出，則可將1和探針認(rèn)為是點(diǎn)電流源，由式（3-3）得到探針和的電位為： (3-5) (3-6) 探針、3電位差為：，由此得出樣品電阻率為： （3-7）式(3-7)就是利用直流四針探法測(cè)量電阻率的普遍公式。當(dāng)電流取I=C時(shí)，則有=V23，可由數(shù)字電壓表直接讀出電阻率。實(shí)際測(cè)量中，最常用的是直線(xiàn)四探針。即四根探針位于同一直線(xiàn)上，并且間距相等，設(shè)相鄰兩探針間距為S，則半無(wú)窮大樣品有： （3-8）通常只要滿(mǎn)足樣品的厚度，以及邊緣與探針的最近距離大于四倍探針間距，樣品近似半無(wú)窮大，能滿(mǎn)足精度要求。1 塊狀和棒狀樣品的電阻率四探針測(cè)試儀探針間距均為1mm，塊狀和棒狀樣品外形尺寸與探針間距比較，符合半

4、無(wú)窮大邊界條件，有C=2, 因此，只要I=6.28I0，I0為該電流量程滿(mǎn)刻度值，由電壓表讀出的數(shù)值就是電阻率。2 片狀樣品的電阻率片狀樣品其厚度與探針間距比較，不能忽略，測(cè)量時(shí)要提供對(duì)樣品的厚度、測(cè)量位置的修正系數(shù)。 (3-9)式中：0為半無(wú)窮樣品的電阻率；為樣品厚度W與探針間距S的修正函數(shù)，可由附錄1查得；為樣品形狀和測(cè)量位置的修正函數(shù)，可由附錄2查得。當(dāng)圓形硅片的厚度滿(mǎn)足時(shí)，有： （3-10） 3 摻雜層的薄層電阻薄層電阻又叫方塊電阻，是表面為正方形的半導(dǎo)體薄層的電阻，單位為/。四探針?lè)ㄔ诎雽?dǎo)體工藝中還普遍用來(lái)測(cè)量摻雜層的薄層電阻，如下圖，由于反向pn結(jié)的隔離作用，摻雜層下的襯底可視為絕

5、緣層。表達(dá)式為： (3-11) 圖3-3 方塊電阻示意圖當(dāng)半導(dǎo)體薄層尺寸滿(mǎn)足半無(wú)窮大平面條件時(shí)，有： （3-12）若I=4.53I0，I0為該電流量程滿(mǎn)刻度值，則Rs值可由電壓表直接讀出。三. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分別測(cè)量棒狀、片狀樣品的電阻率，并對(duì)不同形狀樣品的測(cè)量值進(jìn)行數(shù)值修正；了解電阻率的不均勻性，計(jì)算電阻率不均勻度；對(duì)摻雜樣品測(cè)量其薄層電阻值 Rs。四. 實(shí)驗(yàn)儀器與樣品SZ82型四探針測(cè)試儀，千分表。硅棒、硅片，表面摻有P型雜質(zhì)的N型硅片樣品。SZ82型數(shù)字式四探針測(cè)試儀電器簡(jiǎn)介：測(cè)試儀原理如圖3-5所示。儀器電源經(jīng)DC-DC變換器，由恒流源電路產(chǎn)生一個(gè)高穩(wěn)定恒定直流電流，其量程分別為10A，10

6、0A，1mA，10mA，100mA，數(shù)值連續(xù)可調(diào)，輸送到1，4探針上，在樣品上產(chǎn)生一個(gè)電位差。此直流信號(hào)經(jīng)由2、3探針輸送到電器箱內(nèi)。具有高靈敏度、高輸入阻抗的直流放大器，并將直流信號(hào)放大（放大量程有：0.2mv，2mv，20mv，200mv，2v）。 高靈敏直 雙積分A/D 計(jì)數(shù)器 顯示 流放大器 變換器 BCD信息輸出 調(diào)零電路 單位小數(shù)點(diǎn) 自動(dòng)顯示 1 探針 2 恒流源 DC-DC 電源 3 變換器 220 4 電流調(diào)整 自校電路圖3-5四探針測(cè)試儀原理方框圖五. 實(shí)驗(yàn)步驟(一) 測(cè)試準(zhǔn)備 打開(kāi)電源，儀器通電預(yù)熱約1小時(shí)。將被測(cè)樣品放在測(cè)量臺(tái)上，旋下探針，使其與樣品表面接觸良好，并保持一

7、定壓力。(二) 硅棒的測(cè)試1測(cè)量電流值的調(diào)節(jié) 將工作選擇開(kāi)關(guān)至于“調(diào)節(jié)”位置，“電流量程”為1mA，“電壓量程”為20mV，按下電流開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)電流電位器，顯示器顯示值為6.28，調(diào)節(jié)好后按電流開(kāi)關(guān)使之彈出，斷開(kāi)。2測(cè)量 工作選擇開(kāi)關(guān)置于“測(cè)量”位置，調(diào)節(jié)“粗調(diào)”和“細(xì)調(diào)”，直至顯示器顯示000；按下電流開(kāi)關(guān)，記下顯示器顯示值，再將極性開(kāi)關(guān)撥至下方，讀值，兩值平均即為測(cè)量值。如果顯示器顯示閃爍的000，說(shuō)明量程不合適，調(diào)整“電流量程”和“電壓量程”旋鈕，直至顯示器出現(xiàn)穩(wěn)定非零值，電阻率單位指示燈亮者即為所測(cè)電阻率的單位。在硅棒樣品不同位置測(cè)量五點(diǎn)，記錄測(cè)量值。注意！應(yīng)滿(mǎn)足樣品邊緣與探針的最近距離

8、大于四倍探針間距。(三) 硅片的測(cè)量1測(cè)量電流值的調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)方法同于硅棒的測(cè)量，顯示值應(yīng)為4.53。2測(cè)量 在硅片中心、1/2R處、邊緣處各測(cè)兩點(diǎn)，測(cè)量方法同于硅棒的測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)。3測(cè)量硅片厚度 用千分表測(cè)量硅片厚度（W），記錄數(shù)據(jù)。硅片厚度 500um直徑50mm單位m*cm中間1/2R（1）1/2R（2）邊緣1邊緣2值18.921.024.510.311.6值229.017.815.029.529.9均值19.019.419.319.820.8六. 數(shù)據(jù)處理和分析1硅棒電阻率的測(cè)量是在電流為6.23I0下進(jìn)行的，硅棒可視為半無(wú)窮大材料，這時(shí)的測(cè)量值即為電阻率。由硅棒斷面不同點(diǎn)的電阻率計(jì)算

9、電阻率不均勻度E。 （3-13）E=（7.97-6.22）/（7.97+6.22）x2=24.78%.中間1/2R（1）1/2R（2）邊緣1邊緣2值16.117.547.657.747.62值26.327.808.307.927.63均值6.227.677.977.837.63E3.38%3.39%2.3%8.39%0.13%2 硅片的測(cè)量是在電流為4.53I0，其電阻率可由式（3-10）計(jì)算得出，式中的形狀修正系數(shù)見(jiàn)附錄1、2。，W=0.5mm單位m*cm中間1/2R（1）1/2R（2）邊緣1邊緣2均值19.019.419.319.820.8D(d/S)0.9970.9920.9940.89

10、0.87修正后9.429.649.818.849.21E=（9.6399-8.7704）/（9.6399+8.7704）*2=2*0.8695/18.4103=9.4%3表面摻雜樣品的薄層電阻即為測(cè)量值乘10，再由式（3-10）計(jì)算得出。由附錄3可以確定硅片表面P型雜質(zhì)濃度。七. 討論題1分析測(cè)量電阻率誤差的來(lái)源。1.探針和待測(cè)樣品接觸不好或者接觸過(guò)緊，待測(cè)樣品表面不平或者探針的接觸點(diǎn)不是水平；2.待測(cè)樣品不均勻，待測(cè)樣品內(nèi)部的導(dǎo)電能力不是一樣的，方向和位置都會(huì)有誤差，體現(xiàn)在正向反向電壓不同和各電的電壓不同。3.儀器的電流不是完全穩(wěn)定的；4.零位導(dǎo)致正向反向測(cè)得的電壓誤差很大，由樣品的不對(duì)稱(chēng)性和儀器產(chǎn)生的影響。2如果只用兩根探針既作電流探針又作電壓探針，這樣能否對(duì)樣品進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測(cè)量？為什么？不能，因?yàn)闇y(cè)量的電壓值包含探針電阻和接觸電阻的電壓。兩探針測(cè)量時(shí)，流過(guò)探針電阻和接觸電阻的電流較大，對(duì)應(yīng)的電壓較大，對(duì)測(cè)量的影響較大；四探針時(shí)，由于電壓計(jì)的內(nèi)阻很大，電壓計(jì)的電壓探針中電流很小，電壓探針電壓和接觸電壓很小，可以忽略不計(jì)，測(cè)量電壓更接近實(shí)際樣品電壓。八實(shí)驗(yàn)思考與總結(jié)