數(shù)字化智能四探針測(cè)試儀的測(cè)試原理

　　摘要：將傳統(tǒng)直流四探針測(cè)試儀與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，研制出數(shù)字化智能四探針測(cè)試儀。該儀器可以自動(dòng)識(shí)別被測(cè)樣品電阻率，并自動(dòng)切換到*佳檔位，操作簡(jiǎn)便工作效率高,具有一定的實(shí)用和開發(fā)價(jià)值。

1引言

　　直流四探針測(cè)試法是微電子行業(yè)常用的測(cè)量材料電阻率的方法，通過測(cè)量材料的電阻率可以得到材料的摻雜濃度等重要信息。因此，在微電子工業(yè)中四探針測(cè)試儀一直是十分重要的測(cè)量?jī)x器。

　　近年來，微電子工業(yè)在中國(guó)大陸發(fā)展迅速，傳統(tǒng)的數(shù)字式直流四探針測(cè)試儀需要手動(dòng)調(diào)節(jié)檔位，測(cè)量周期長(zhǎng)、工作效率低，已經(jīng)無法適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，國(guó)內(nèi)需要尋求一種新型的測(cè)試設(shè)備。

    　本文中介紹的數(shù)字化智能四探針測(cè)試儀可以自動(dòng)切換量程、自動(dòng)運(yùn)算相關(guān)的數(shù)據(jù)。用戶甚至可以在不了解四探針測(cè)試原理的情況下方便地測(cè)量材料的電阻率。該儀器具有PC機(jī)接口，通過PC機(jī)可以集中管理且硬件成本低廉。

2測(cè)試原理

　　主要依據(jù)范德堡原理（如圖1）,通過兩根探針提供一個(gè)電流流過樣品，再用兩根探針測(cè)量樣品上的電位差，*后經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算得到材料的電阻率。四探針測(cè)試儀的測(cè)試?yán)碚撘呀?jīng)相當(dāng)成熟。

3硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件由放大器、恒流源、控制邏輯、A/D轉(zhuǎn)換器、顯示器與電源6大模塊組成，如圖2。

3.1 恒流源

　　10mA或100mA電流輸出電路如圖3(a)，利用LM317的Vout端與ADJ端電位差恒為1.25V和ADJ端輸出電流Iadj較?。梢院雎圆挥?jì)）的性質(zhì)，通過繼電器切換Radj實(shí)現(xiàn)輸出電流的切換。

輸出電流與Radj關(guān)系如下：

 Iout為輸出電流。由于，Iadj值在46mA左右波動(dòng)，所以為了保證精度，該電路僅用于提供10mA或100mA的電流。0.1mA或1mA電流輸出電路如圖3(b)。通過基準(zhǔn)源Dcs1提供一個(gè)2.5V基準(zhǔn)電壓，利用運(yùn)放虛短的性質(zhì)在Radj兩端提供一個(gè)穩(wěn)定的電位差，使通過Radj兩端的電流穩(wěn)定。通過繼電器切換Radj實(shí)現(xiàn)輸出電流的切換。

 

輸出電流與Radj的關(guān)系如下 

Iout為輸出電流。

由于運(yùn)放驅(qū)動(dòng)能力有限，該電路僅用于提供1mA或0.1mA電流。

4數(shù)據(jù)采集與處理

　　數(shù)據(jù)采集與處理電路。以msp430f149單片機(jī)為核心，通過一個(gè)儀用差分放大電路完成對(duì)電壓信號(hào)放大與濾波后送到單片機(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)部集成的12位ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；再通過程序判斷并切換測(cè)量量程，直到測(cè)量量程合適，再進(jìn)行數(shù)字濾波與運(yùn)算；*后將電阻、電阻率、方塊電阻與選用的量程顯示在LCD屏上。工作流程如圖4。

與傳統(tǒng)四探針測(cè)試儀不同，本文中介紹的智能四探針測(cè)試儀對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行連續(xù)采樣然后存入單片機(jī)的內(nèi)存中。在運(yùn)算與處理過程中首先對(duì)連續(xù)采得的多個(gè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，濾除前端放大器沒有濾除的毛刺與波動(dòng)，然后針對(duì)量程的不同選擇不同的參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償處理，校正由于數(shù)據(jù)采集電路本身的偏移和放大倍數(shù)誤差等問題造成的采樣誤差。*后，計(jì)算出相應(yīng)的電阻率和方塊電阻并顯示在LCD屏上。

　　儀器的外觀如圖5，正面的面板上從左到右依次為電源開關(guān)、復(fù)位健、液晶顯示屏和探針插座。相比傳統(tǒng)四探針測(cè)試儀它沒有電壓量程旋鈕與輸出電流調(diào)節(jié)旋鈕。由于以往需要人工進(jìn)行的電壓量程切換與輸出電流調(diào)節(jié)工作已經(jīng)被機(jī)器自動(dòng)完成，所以這兩個(gè)旋鈕被省略了。儀器在操作上已經(jīng)充分簡(jiǎn)化。

4結(jié)論

　　本文中介紹的四探針測(cè)試儀將傳統(tǒng)四探針測(cè)試儀與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合。主要指標(biāo)與功能如下：功耗小于6W；測(cè)量范圍量程：0.025Ω-2500Ω；自動(dòng)顯示小數(shù)點(diǎn)和單位；誤差：±0.5%；具有數(shù)字補(bǔ)償功能；自動(dòng)運(yùn)算結(jié)果；自動(dòng)切換量程，超出量程自動(dòng)報(bào)告；具有RS232接口可以和PC連接。

測(cè)量半導(dǎo)體電學(xué)

    為了滿足各種半導(dǎo)體器件的需要，必需對(duì)材料的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，這些參數(shù)一般為電阻率、載流子濃度、導(dǎo)電類型、遷移率、壽命及載流子濃度分布等。測(cè)量方法有四探針、三探針、擴(kuò)展電阻、C-V法及Hall測(cè)量等。

對(duì)于半導(dǎo)體材料的電阻率，一般采用四探針、三探針和擴(kuò)展電阻。

四探針法是經(jīng)常采用的一種，原理簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便。測(cè)量范圍為10-3-104 防米，能分辨毫米級(jí)材料的均勻性，適用于測(cè)量半導(dǎo)體材料、異型層、外延材料及擴(kuò)散層、離子注入層的電阻率，并能夠提供一個(gè)迅速的、不破壞的、較準(zhǔn)確的測(cè)量。

采用四探針法測(cè)量相同導(dǎo)電類型、低阻襯底的外延層材料的電阻率時(shí)，由于流經(jīng)材料的電流會(huì)在低阻襯底中短路，因此得到的是襯底與外延層電阻率并聯(lián)的綜合結(jié)果。這時(shí)，需要采用三探針法、擴(kuò)展電阻法等。

 三探針法是利用金屬探針與半導(dǎo)體材料接觸處的反向電流-電壓特性、測(cè)定擊穿時(shí)的電壓來獲得材料電阻率的知識(shí)的。

C-V法利用PN結(jié)或肖特基勢(shì)壘在反向偏壓時(shí)的電容特性，可以獲得材料中雜質(zhì)濃度及其分布的信息，這類測(cè)量稱為C-V測(cè)量技術(shù)。這種測(cè)量可以提供材料截面均勻性及縱向雜質(zhì)濃度分布的信息，因此比四探針、三探針等具有更大的優(yōu)點(diǎn)。雖然擴(kuò)展電阻也能測(cè)量縱向分布，但它需將樣品進(jìn)行磨角。但是C-V法既可以測(cè)量同型低阻襯底上外延材料的分布，也可測(cè)量高阻襯底用異型層的外延材料的分布。

    Hall測(cè)量在半導(dǎo)體材料測(cè)量中，霍爾效應(yīng)有著廣泛的應(yīng)用。用它來研究半導(dǎo)體材料導(dǎo)電過程或輸運(yùn)現(xiàn)象。可提供材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度、雜質(zhì)電離能（包括深、淺能級(jí)雜質(zhì)）、禁帶寬度、遷移率及雜質(zhì)補(bǔ)償度等信息。


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