实验一四探针法测电阻的电阻率.docVIP

物理专业实验报告 专业 班级 1 姓名 学号 实验名称 四探针法测电阻的电阻率 实验地点 实验日期 【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 【实验仪器】 SX1944型数字式四探针测试仪；硅单晶；TiO2陶瓷样品； SB118精密直流恒流源；直流数字电压表 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V23。 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，由于均匀导体内恒定电场的等位面为球面，则在半径为处等位面的面积为，电流密度为 （1） 根据电流密度与电导率的关系可得 （2） 距离点电荷处的电势为 （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 （4） 式中，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，当其探针间距均为时，则被测样品的电阻率为 （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（V23），还可以计算出所测样品的电阻率。 【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。 【实验数据】 方块电阻：厚度w=2.32mm 长度l=48.00mm 探针间距s=1mm 实验中电流区间为0~100uA 实验电流I=0.591mA 电阻R=15Ω 【思考题】 1、记录半导体或金属样品的电阻率，分析电阻率的影响因素。 答：温度的影响 一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大，半导体材料的电阻率则随温度的升高而减小