北京恒奥德科技有限公司

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  目   录

   一．概述

   二．主要技术指标

   三．测量原理   

四．仪器结构及电路组成

   五．仪器操作和测量

   六．复校与维修

附表

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 一． 概述

    FZ-2010半导体四探针电阻测试仪是运用四探针测量原理的多用途测量装置，配置专用的四探针测试架,它可以测量棒状、块状半导体材料的径向、轴向电阻率，测量片状半导体材料的电阻率和测量散层方块电阻。

本仪器参照有关国际标准设计，可以直接用数字显示电阻或电阻率值，使仪器的可靠性和稳定性大大加强，更方便用户，而且价格低廉、实惠。配置四探针测试台（或架）、粉末测试台，可以对片状、块状半导体材料、粉末材料进行电阻、电阻率等多用途测量。

仪器主要包括电气箱和测试架两部分组成，电气箱部分由高精度直流数字电压表和直流恒定电流源组成。测试架压力机构采用手动操作、压力平稳。仪器有自校功能。本仪器具有测量精度高，稳定性好。重复性好，使用方便特点。

本仪器采用国际通用的电流、电压降法，即四端子测量法，采用电流和电压电极同时和样品接触，测得V/I，可以消除连接系统所带来的误差。克服以往二端测量电阻率仪器的弊病，可以真实、准确测量固态样品的电阻率，测量精度高，稳定性、重复性好。使用方便。

本仪器用于半导体材料厂、半导体器件厂、电池厂、粉末冶金厂、高等院校、科研部门，是检验和分析固态半导体质量的重要工具。

    二．主要技术指标

1．测量范围：电阻10^-4—10⁶Ω，分辨率1μΩ。

             电阻率10^--4—10⁶Ω·cm,分辨率1μΩ·cm。

             薄层电阻   10^-3∽10⁷Ω/□，分辨率10^-5Ω/□

             测量误差   ±(0.3%读数±2字)。

2．测量电压量程：0.2mV、2mV、20mV、200mV、2V，分辨率0.1μV。

             测量误差    ±(0.3%读数+2字)。

3．测量电流：0--100mA连读可调。

电流量程：1μA .10μA、100μA，1mA 、10mA、100mA。

4.固态薄膜及半导体测量:

四探针测试架:

(1)探针间距  1mm±0.03 mm

(2)探针游移率<±0.3%

(3)可测材料尺寸:直径Φ15∽160 mm,长度<400 mm. 

5．显示方式: 3 1/2 数字显示电阻、电阻率、压力、单位、小数点。自动显示。

6． 电源：220V±10%，50--60HZ，功率消耗<150W

7．外形尺寸：电气箱，440mm×120mm×420mm

8．固态四探针测试架。

               三．测量原理      

（一）电阻测量；根据四端子“电流---电压降”测试方法，该仪器电气部分主要由高精度恒流源和高灵敏数字电压表两大部分组成，由仪器输出直流恒定电源，在被测件上产生微弱的电压降。再由仪器的输入端子将该电压信号输入仪器，经过内部电路放大，数字显示测量结果。   即    R==V/I     （3-1）  

                        

                        电压表V

 

 

                              电流表I    

 

                   

 图3-1  V/I示意图

   （二）四探针体电阻率测量原理

直流四探针法测试原理简介如下：

     图3-2为四探针接触测量样品表面的示意图，在接触面分别加电压和电流。

                  1        2         3          4

  

                  

 

 

 

 

 

 

 

 

                       S₁        S₂           S₃

                        图3-2   四探针测量原理示意图

图3-2中，当1、2、3、4根金属探针排成一直线时，并以一定压力在半导体材料上，在1、4两处探针间通过电流I，则2、3探针间产生电位差V。

由于电阻   R =  V/I

所以，     材料的电阻率       V

                         ρ= ——  · C  （Ω·Сm）   （3-3）

                              I

式中，C为探针系数，由探针几何位置及厚度修正系数决定。

当试样电阻率分布均匀，试样尺寸满足半无限大条件时

                   2τ

  C =   ------------------------------------------ （Сm）(3-4)

              1        1         1            1

           ------ + ------ -  ------ -  -  -------

              S₁         S₃         S₁+S₂      S₂+S₃

式中，S₁、S_2、 S₃分别为探针1与2 ，2与3，3与4之间距。

当，S₁ = S_2-=  S₃  =  1mm   时， C =  2  π

若电流取  I =  C  时，  则ρ =  V  ,可由数字电压表显示读出。

几种电阻率的测量原理和方法。

（1）    块状和棒状样品体电阻率测量

  由于块状和棒状样品外形尺寸与探针间距行比较，合乎于半无限大的边界条件，电阻率值可以直接由（3-3）、（3-4）式中求出。

 （2薄片样品电阻率测量

薄片样品因为其厚度与探针间距比较，不能忽略，测量时，要提供样品的厚度、形状和测量位置的修正系数。电阻率值可由下面公式得出：

       V        W       d              W       d

ρ = 2πS ---  G（----）D （--）=  ρ₀ G （--）D （---）  （3-5）

           I        S        S              S       S

式中，ρ₀为块状形体电阻率测量值。

     W

G（----）为样品厚度与探什间距的修正系数，

     S

       d

 D（-------- ）为样品形状和测量位置的修正系数。

       S

   当园形硅片的厚度满足W/S<0.5时,电阻率为:

           W       d         π     V · W           d

ρ =  ρ₀ G （--）D （---） = ------  ----------D  (-----)

              S       S         LN2      I           S

              V                  d

    = 4.53 -----------  W   D (------)                （3-6）

              I                   S

（3）扩散层薄层电阻(方块电阻)测量,

当半导体薄层尺寸满足于半无穷大平面条件时:

 

         π              V                 V

  R_□ = -----------     （----）  =  4。53  ------------        （3-7）

         LN2             I                 I

若取   I =  4. 53时 ,则R 值可由V  表中直接读出。

薄层电阻率：ρ =  R_□·d  ，  d为薄层厚度。

综合以上情况，仪器采用       V

                       ρ=  ----- · K  ；  K 厚度修正系数

                             I                末面附表查得

注意：以上三种测量都是在标准温下（23⁰C）进行的，若在其它温度下测试，要求将所测得的数值要乘以系数P_T，才可得最终测试结果。

P_T  =  1 - C_T · （ T – 23 ）  C_T 为材料温度系数，由材料而定。T为温度

          （ 四）．仪器结构及电路组成

    仪器为台式结构，分为电气箱（面板图4-2和4-3）、测试架（图4-1）两部分组成,可以根据测试需要，安放在工作台上进行调试和测量。

(一).测试架  测试架（图4-1）由探头、压力机构、样品台组成。探头采用精密加工，配有宝石导套，使测量误差大大减少，且寿命长。探头内有弹簧加力装置，测试架备有粗调和细调装置。在半导体材料断面测量时，直径范围Φ15∽100mm，其高度为400 mm，如果要对大于400 mm长单晶的断面测量，可以将升降架升高或者加长主柱。，测试架有专门的屏蔽导线插头与电气箱联结

 

                 图（4-1）测试架图

（二）电气箱：

1．电气箱为仪器主要电气部分所在。在其面板上有数字、小数点、单位显示以及全部操作旋钮和开关，电气箱前面板结构见图（4-2）所示。

（1）数字、小数点单位显示 （2）电流量程开关（3）功能开关  （4）电压量程开关  （5）信号输入插座（6） 调零细调    （7）调零粗调开关   （8）电流调节

   （9）电源开关       （10）电流开关；    （11）极性开关；

2．电气箱后面面板见图4-3

 

 

 

 

 

图（4-3）电气箱后面板示意图（1）交流220V电源插座；   （2 ）保险丝座；

       （三）电路组成

            V                

        

 

 

 

 

 

                                                                       

                                                                 

 

图4-4  仪器原理方框图

 

仪器的电路组成参见图（4-4）“仪器原理方框图”，其中恒流源由基准源、取样电路、误差放大及调整电路组成，具有100mA、10mA、1mA、100μA、10μA 、1μA   六个量程恒流输出，精度为±0.1%. 温度系数为 1×10^-4/⁰C 。电压测量部分由高灵敏度低噪声前置直流放大器和双积分数字表组成。具有0.2 mV、2 mV、20 mV、200 mV、 2V  五个量程档， 准确度优于0.1% 。此外，仪器还设置了“DC-DC 电源变换” 电路，做到了多地隔离，使整机的抗泄漏、抗干扰能力大大提高，电流输出和电压测量配合，自动组成电阻测试的各量程，见表（4-1）

 

表（4-1）电阻、电流、电压量程选择

由于该仪器主要用于低电阻方面的精密测量，因此采用了“四端子测试方式，在恒流源负载能力范围内，在电压表输入阻抗足够高的情况下，就能有效地消除引线电阻和接触电阻在测试夹具上引起的误差。仪器除了可以作为测量材料电阻率外，还可以直接作为数字电压表和恒定直流输出，达到一表多用的目的。

三，仪器操作和测量

（一）.测试准备 

  仪器放入测试温度为23±2⁰C、湿度小于65% 环境内一小时。无强外电磁场干扰情况下。

将220V电源插入电源插座。仪器电源开关置于断开状态，功能开关置于 “短路 ”位置，电流开关处于弹出位置。

  将测试架的屏蔽线插头与电气箱的输入插座连接起来，松开测试架立柱处的高度调节手轮，将探头调到适当的高度，测试样品应进行喷砂和清洁处理，放在样品架上，使探针能与其表面良好接触，并保持一定压力，调节室内温度，使之达到要求的测试条件。

（二）预热和自校

1.将电源开关至开启位置，数字显示、仪器通电预热半小时.，仪器操作校准考核时，0.2mV电压量程应预热一小时.

2.“自校”与“ I调节”的操作,参考表4-2设置电压和电流量程.

（1）仪器自校：为了校验电气箱中数字电表和恒流源的精度。仪器内部装有精度为0.02%的标准电阻.供校验之用.

自校时,将功能开关置于“自校”位置, ,电流量程开关和电压量程开关按表4-2所示进行.

调节好零位,按下电流开关,则数字板显示出”198X”,各量程数值误差为±6字,如果数值超差,可以调节动机内压板上”I调节”，使数字恢复到”198X”值.

（2)测量电流值的调节:功能开关置于 “I调节”位置,电流量程开关和电压量程开关必须放在下表所列的任一组对应的位置上.

 

表4-2  电流调节和自校时必须对应的电流电压量程

 

（3）按入电流开关，调节电流电位器，可以使电流输出从0 – 1000（满度）连读可调，直到数字显示出测量所需要的电流值（例6.28、4.53等）为止。准确的电流值应由数字显示读出，只要调节好某一量程电流输出值后，其它各量程的电流会按此数字输出，一旦电流调节好后，不必每次测量都调节，“ I调节“除了能改变恒流源电流外，还可以用来作为相应修正系数的输入，使测量计算简单，成为直接读数。

（三）测量仪器在中断时应将功能开关置“断路”位置，电流开关按钮复原。

测量：将功能开关拨到“测量”位置，按表 4-3要求设好电流量程位置，按入电流按钮，数字屏有数字显示，再根据测量误差要求，拨动电压量程，就可以得到所需的测量结果，再按“极性”开关，将电流反向测量一次。将两次测量结果取平均值，这就是样品的测量结果。

 

表（4-3）测量电阻率及薄层电阻时所要求的电流值

当放下探针，与样品良好接触。这时数字显示如不为零，可以调节粗调和细调，使之为“0000”。当按入电流开关按钮后。仪器的恒定电流流过样品产生的电压降再输入仪器，由数字显示。在测量半导体电阻率时数字和单位直接在数字屏上读出。在测量电阻时,应将仪器显示的单位“mΩ·Сm”、“Ω·Сm”、

“KΩ·Сm”相应看成“mΩ”、“Ω”、 “KΩ”，在测量薄层电阻时，同样应将仪器显示的单位“mΩ·Сm”、 “Ω·Сm”、 “KΩ·Сm”相应看成 “mΩ/□”、 “Ω/□”、 “KΩ□”,并且数字显示值应乘上10倍。

如果要使测量更为准确些，在一次测量之后，再按一下极性开关，它测量电流方向与上次测量反相，再测量一次，测量结果取两次测量的平均值。测量完毕后，退出电流按钮。

   根据国家标准,仪器性能,从保证测试精度考虑。在电阻率测试时，推荐用户采用以下电流电压量程较合适。见表（4-4）所示

 

          表（4-4）电阻率测量时推荐的电流电压量程选择

 

测量前，先测好样品厚度，测根据说明书末的附表查照,， K(厚度修正系数)

按测量步骤进行，根据表（4-2）选择相对应的电流和电压量程。

仪器与探头联结好，压下探头与样品接触好。

选择“I调节”按（4-2）所示对应的电流电压量程，根据不同样品调节好，“I调节”参煺K。

不同形状样品电阻和电阻率的测量

（1）块状样品电阻率测量，

块状电阻率，样块厚度≥6mm，R₀为6.28，

（2）薄片电阻率测量：

查表（说明书末）得K，例如硅片厚度1.00mm,查表得出0.4176。将仪器功能开关调节到“I调节  ”，对应用1mA、20mV档，调节“I调节”电位器，使数字显示“4.18”（四舍五入），然后再将电流开关弹出。

测量：将功能开关拨到“测量”位置，按表 4-2要求设好电流量程位置，按入电流按钮，数字屏有数字显示，再根据测量误差要求，拨动电压量程，就可以得到所需的测量结果，再按“极性”开关，将电流反向测量一次。将两次测量结果取平均值，这就是样品的测量结果。

    （3）薄层电阻（ 方块电阻）测量,

按测量步骤进行,按表（4-2）对应的 “I调节”电流电压量程，“I调节”为4.53即可。再按同样测薄片电阻步骤，读出的数值乘以10倍为实际的方块电阻值。

     （4） 电阻(V/I)I测量:

附件测试线就是四端子测试夹（两个红色为电流测试夹，两个黑色为电压测试夹），供校验用。在测量一般电阻器时，,按图4-5，将这四个夹子，对应夹好样品，将功能开关置于“I调节”，调节电流调节旋钮，使I=1000（即100mA），“工作方式”开关置于电流，选择适当的电压量程后。按测量步骤，读出数量为实际测量的电阻值。

 

              黑色

 

   红色

                   

                      

                          I

                 （图4-5） 电阻测量

                             

    （六）复校和维修    （一）复校

                 图（5-1）电压量程2 mV 、20 mV、200 mV、2 V校准法

  

为了保证仪器测试精度，必须定期（通常为90天或半年）对它进行复校与维修性的调整，当仪器经过剧烈震动运输和湿度冲击后，或者经过维修后，也应进行复校和维护性的调整。

 电气箱部分：复校步骤如下 

（1）仪器按操作步骤，进行通电和自校

（2）如发现自校时误差较大，而且重合性不好（自校时不超过±6字），说明可能某一量程的电压或电流档产生了误差，可按下面步骤进行复校。

（ A ）首先校验电压量程，常用直流标准仪器进行校验2mV、20mV、200mV和2V电压档。如图5-1所示。

图5-1中，电位差计可采用UJ-9、 UJ-24、UJ-25型作为直流标准电压源，由它的未知电压端EX输出标准电压信号，送到FZ-2010测试仪的输入出2、3端（电压输入端），按2V、200mV、20mV, 2mV,次序进行校验.如仪器显示值与标准值之差大于规定值,可将上外壳取下,对照电气箱内部结构图 (5-2)，在电路压板上看到标有0.2mV、20mV、20mV, 200mV,2V字样的窗孔可以相应调节该量程窗孔内的电位器,使显示值与标准电压值误差小于:0.1%,这样2mV电压量程校验完毕.

 

         11      12                           13

图5-2  仪器电气箱内部结构示意图          

 

图中， 1.电源板;2.恒流源电源板;3.恒流源板;4.自校值调节电位器;5.单位小数点译码板; 6.2   V 量程调节电位器 7.放大器板 8.200mV量程调节电位器9.20 mV量程调节电位器10.数字显示板11.220V电源输入插头插座 12.保险丝 13.机壳

 

W₁—2V量程调节电位器   W₂—200mV量程调节电位器  W₃—20mV量程调节电位器                W₄—2mV量程调节电位器  W₅—0.2mV量程调节电位器  W₆—2V恒流源满度调节电位器

 

图中， 1.电源板;2.恒流源电源板;3.恒流源板;4.自校值调节电位器;5.单位小数点译码板; 6.2    V 量程调节电位器 7.放大器板 8.200mV量程调节电位器9.20 mV量程调节电位器10.数字显示板11.220V电源输入插头插座 12.保险丝 13.机壳

W₁—2V量程调节电位器   W₂—200mV量程调节电位器  W₃—20mV量程调节电位器                W₄—2mV量程调节电位器  W₅—0.2mV量程调节电位器  W₆—2V恒流源满度调节电位器

 

 

 

 

 

 

               

图(5-3)0.2mV档电压校准方法 0

对于0.2mV电压量程,由于灵敏度高较高,用户如有低电阻差计如UJ5型,可以按上面方法进行,否则可以采用电流—电压降法进行,如图(5-3)

图 (5-3) 中,恒流源精度优于0.02%,输出100mA电流,R_N为0.01Ω,标准电阻精度为0.01%,在R_N上产生0.1mV电压来校验0.2mV.

( B )电压量程校准后,可以按  “自校”操作步骤.检查仪器各量程时恒流源的准确度,如精度和各量程电流数值重合性超过规定值时,可以调节电路压板上标有 “调节”字校窗孔内的电位器,使之合乎规定值.如果发现在10μA量程相差时可以调节附在电流量程开关上的电位器使其达到规定值.

 ( C )测试探头,可按照国标GB1552-79中规定的探针系数和机械游移率测量方法进行,如果超差,则需要换新的探针配件.

（二）维修

    此仪器属于高灵敏的精密半导体测量仪器。用户不得擅自拆修。仪器在出厂一  年内电气部分有自然故障，由生产单位负责修理，超过一年，修理费用由用户承担。

仪器的维修可根据工作原理进行。故障情况和原因是多种多样的。现只能简述如下：

1.功能开关置于“短路”，显示稳定，零位调节有效,则电压部分其本正常。探头接入，并接触样品，再将功能开关置于“测量”，如显示值乱跳，不稳定，则可能是电位探头端导线断开或者电位探针与样品未接触好，应检查探头部分和探头的电缆插头、接线。

2.测量选择性开关置于 “短路”,显示数值乱跳,可能是 “功能开关”开路,输入导线开路或反馈导线脱开.如不是上述故障,可进一步检查放大器和数字表电路是否发生故障.

3. “功能开关”置于 “自校”或 “I调节”位置.按下电流开关,数字显示乱跳,呈现过载闪烁,可能是操作者未按照所规定的电流、电压量程操作造成。如果无数字显示，则检查恒流源板是否有故障。

4.若样品与探针接触良好，功能开关置于“测量”，数字显示稳定，调零后，按下电流开关，数字显示无变化，则检查电流探针及其它导线,插头是否断开，并检查恒流源电路是否有故障。

5．电源开关开启时，数码管不亮，检查仪器后面板上保险丝座是否烧断或接触不良，DC-DC变换器是否有轻微叫声。如无叫声，可检查电源板12V输出是否正常。DC-DC电路是否正常，输出±5V是否正常。

6．探头输入插座，见图（5-4）                 接地

    

 图（5-4）     输入插座图

                      电流端子                       电压端子

 

 

 

  附件: 1. 仪器使用说明书一份              2. 仪器合格证一份

          3. 手动6英寸四探针测试架一台      4. 测试线一付

          5. 仪器电源线一根                  6. 校验线一根

 

附表  探针测量薄片电阻率时,厚度修正系数表

   厚度修正系K，根据厚度W（单位mm）  ρ =  2τS(V/I )* F （W/S）

根据厚度d查出厚度修正系数K，例d=1.58 mm,查表得K为  0.5356；

例d=2.54 mm,查表得K为0.5990

探针测量薄片电阻率时,厚度修正系数表(DB-86)

ρ=2πs*V/I*F（表格左边第一列和上边第一排配合为W薄片厚度）

 

 

 

 

 

 

             图5-2  仪器电气箱内部结构示意图             13

 

图中， 1.电源板;2.恒流源电源板;3.恒流源板;4.自校值调节电位器;5.单位小数点译码板; 6.2    V 量程调节电位器 7.放大器板 8.200mV量程调节电位器9.20 mV量程调节电位器10.数字显示板11.220V电源输入插头插座 12.保险丝 13.机壳

W₁—2V量程调节电位器   W₂—200mV量程调节电位器  W₃—20mV量程调节电位器                W₄—2mV量程调节电位器  W₅—0.2mV量程调节电位器  W₆—2V恒流源满度调节电位器

 

 

 

 

 

 

               

 

图(5-3)0.2mV档电压校准方法 0

 

对于0.2mV电压量程,由于灵敏度高较高,用户如有低电阻差计如UJ5型,可以按上面方法进行,否则可以采用电流—电压降法进行,如图(5-3)

图 (5-3) 中,恒流源精度优于0.02%,输出100mA电流,R_N为0.01Ω,标准电阻精度为0.01%,在R_N上产生0.1mV电压来校验0.2mV.

(2)电压量程校准后,可以按  “自校”操作步骤.检查仪器各量程时恒流源的准确度,如精度和各量程电流数值重合性超过规定值时,可以调节电路压板上标有 “调节”字校窗孔内的电位器,使之合乎规定值.如果发现在10μA量程相差时可以调节附在电流量程开关上的电位器使其达到规定值.

 (3)测试探头,可按照国标GB1552-79中规定的探针系数和机械游移率测量方法进行,如果超差,则需要换新的探针配件.

（二）维修

    此仪器属于高灵敏的精密半导体测量仪器。用户不得擅自拆修。仪器在出厂一  年内电气部分有自然故障，由生产单位负责修理，超过一年，修理费用由用户承担。

仪器的维修可根据工作原理进行。故障情况和原因是多种多样的。现只能简述如下：

1.功能开关置于“短路”，显示稳定，零位调节有效,则电压部分其本正常。探头接入，并接触样品，再将功能开关置于“测量”，如显示值乱跳，不稳定，则可能是电位探头端导线断开或者电位探针与样品未接触好，应检查探头部分和探头的电缆插头、接线。

2.测量选择性开关置于 “短路”,显示数值乱跳,可能是 “功能开关”开路,输入导线开路或反馈导线脱开.如不是上述故障,可进一步检查放大器和数字表电路是否发生故障.

3. “功能开关”置于 “自校”或 “I调节”位置.按下电流开关,数字显示乱跳,呈现过载闪烁,可能是操作者未按照所规定的电流、电压量程操作造成。如果无数字显示，则检查恒流源板是否有故障。

4.若样品与探针接触良好，功能开关置于“测量”，数字显示稳定，调零后，按下电流开关，数字显示无变化，则检查电流探针及其它导线,插头是否断开，并检查恒流源电路是否有故障。

5．电源开关开启时，数码管不亮，检查仪器后面板上保险丝座是否烧断或接触不良，DC-DC变换器是否有轻微叫声。如无叫声，可检查电源板12V输出是否正常。DC-DC电路是否正常，输出±5V是否正常。

6．探头输入插座，见图（5-4）                 接地

    

 图（5-4）     输入插座图

                      电流端子                       电压端子

 

 

 

 

 

  附件: 1. 仪器使用说明书一份              2. 仪器合格证一份

          3. 手动6英寸四探针测试架一台      4. 测试线一付

          5. 仪器电源线一根                  6. 校验线一根

   

 

 

 

附表  探针测量薄片电阻率时,厚度修正系数表

   厚度修正系K，根据厚度W（单位mm）

根据厚度d查出厚度修正系数K，例d=1.58 mm,查表得K为  0.5358；

例d=2.54 mm,查表得K为0.5990

探针测量薄片电阻率时,厚度修正系数表(DB-86)

ρ=2πs*V/I*F（表格左边第一列和上边第一排配合为W薄片厚度）

W  薄片厚度   S  探针间距离

 

 

五．复校和维修    （一）复校

     为了保证仪器测试精度，必须定期（通常为90天或半年）对它进行

复校与维修的调整，当仪器经过剧烈震动运输和湿度冲击后，或者经过维修后，也应进行复校和维护性的调整。

   电气箱部分：复校步骤如下   仪器按操作步骤，进行通电和自校。如发现自校时误差较大，而且重合性不好（自校时不超过±4字），说明可能某一量程的电压或电流档产生了误差，可按下面步骤进行复校。

用标准电阻校验  将四端子校验线的电压、电流夹与精度为0.01级的标准电阻连接,校验各档选取的标准电阻见表(5-1),如果误差大于0.3%,则还需进行下列校验.

表(5-1)校验用标准电阻  

(2)电压量程校验   常用直流标准仪器法进行。如图（5-1）所示。

                 图（5-1）电压量程20 mV、200 mV、2 V校准法

图中电位差计可采用UJ-9 、UJ-25型作为直流标准电压源，由它的未知电压端EX输出标准电压信号，送到半导体电阻率测试仪的电压端，按2V、200mV, 20mV,次序进行校验.如仪器显显示值与标准值大于规定值,可将上外壳取下,如图(5-2)所示.可以相应调节电路板上电位器显示值与标准电压值误差:0.1%,这样电压量程校验完毕.

 

 

 

 

  使探头接触到样品，功能开关置于“测量”，拨动电流量程开关与电压量程开关，置于样品测量所适合的电流（见注意事项），调节粗调和细调、调零。使数字显示为“0000”，按下电流开关，由数字显示板和单位显示灯直接读出测量值和单位。如果数字显示熄灭只剩下“-1”或“1”，则测量数值已超过此电压量程开关拨到更高档，读数后退出电流开关，数字将恢复到零位，否则应重新测量，在仪表处于高灵敏度电压档时更要经常检查零位，再将极性开关拨至下方（负极性），按下电流开关，从数字显示板和单位显示灯可以读出负极性的测量值，将两次测量得的电阻率值取平均，即为样品在该处的电阻率值。

 

用标准电阻校验  将四端子校验线的电压、电流夹与精度为0.01级的标准电阻连接,校验各档选取的标准电阻见表(5-1),如果误差大于0.3%,则还需进行下列校验.

 

 

 

 

 

 

11              12

                                                        2

             图5-2  仪器电气箱内部结构示意图             13

图中， 1.电源板;2.恒流源电源板;3.恒流源板;4.自校值调节电位器;5.单位小数点译码板; 6.2    V 量程调节电位器 7.放大器板 8.200mV量程调节电位器9.20 mV量程调节电位器10.数字显示板11.220V电源输入插头插座 12.保险丝 13.机壳

 (2)仪器恒流源电流量程的校验的电路接线图(5-3)

 

 

 

 

 

 

                图(5-3)电流量程校验图

图中 R_N精度为0.01%的标准电阻箱可从10Ω--10KΩ范围内可调.操作仪器电流调节,使仪器显示为 “1000”,这时各量程电流应为满量程值输出,电流通过标准电阻R_N产生电压降为V_N==IR_N,由五位数字电压表输出,这样可分别对各量程恒流电流进行校验.如果发现在10μA量程相差时可以调节附在电流量程开关上的电位器使其达到规定值.

(2)自校值校验:仪器工作方式开关置于 “自校”位置,按入电流开关,仪器应显示规定的自校值.如超过±4字时,可以调节恒流源板上的调节电位器(图5-2中的4)使之达到原定值.

（二）维修  此仪器属于高灵敏的精密半导体测量仪器。用户不得擅自拆修。仪器在出厂一年内电气部分有自然故障，由生产单位负责修理，超过一年，修理费用由用户承担。仪器的维修可根据工作原理进行。故障情况和原因是多种多样的。现只能简述如下：

1.测量选择开关置于“短路”，显示稳定，零位调节有效（这时“工作方式”天关应拨离“I调节”和自校位置。这两档是无法调零的），则电压部分其本正常。探头接入，并接触样品，再将工作选择开关置于“测量”显示值乱跳，不稳定，则可能是电位探头端导线断开或者电位探针与样品未接触好，应检查探头部分和探头的电缆插头、接线。

2.测量开关置于 “短路”,显示数值乱跳,可能是工作方式开关开路,输入导线开路或反馈导线脱开.如不是上述故障,可进一步检查放大器和数字表电路是否发生故障.

3. “工作开关”置于 “自校”或 “I调节”位置.按下电流开关,数字显示乱跳,呈现过载闪烁,可能是操作者未按照表(5-4)中所规定的电流、电压量程操作造成。如果无数字显示，则检查恒流源板是否有故障。

4.若样品与探针接触良好，测量选择开关置于“测量”，数字显示稳定，调零后，按下电流开关，数字显示无变化，则检查电流探针及其它导线]插头是否断开，并检查恒流源电路是否有故障。

5．电源开关开启时，数码管不亮，检查仪器后面板上保险丝座是否烧断或接触不良，DC-DC变换器是否有轻微叫声。如无叫声，可检查电源板12V输出是否正常。DC-DC电路是否正常，输出±5V是否正常。

6．探头输入插座，见图（5-4）                 接地

    

 图（5-4）     输入插座图

                      电流端子                       电压端子

 

 

 

 

仪器为台式结构，分为电气箱（图4-3和4-4）（见下列电路组成）、测试架（见图4-1）两部分组成,可以根据测试需要安放在工作台上调试工作.测试架由探头、压力传动机构、样品台组成。接头采用精密加工，配有宝石导套，使测量误差大大减少，且寿命长。探头内有弹簧加力装置，测试架备有粗调和细调装置。

在半导体材料断面测量时，直径范围Φ15∽100mm，其高度为400 mm，如果要对大于400 mm长单晶的断面测量，可以将升降架升高或者加长主柱，测试架有专门的屏蔽导线插头与电气箱联结。

(一)        测试架图如下

 

仪器在中断时应将选择开关置“断路”位置，电流开关按钮复原。

测量：将功能开关拨到“测量”位置，按表  要求设好电流量程位置，按入电流按钮，数字屏有数字显示，再根据测量误差要求，拨动电压量程，就可以得到所需的测量结果，再按“极性”开关，将电流反向测量一次。将两次调查结困取平均值，这就是样品的测量结果。

当放下探针，与样品良好接触。这时数字显示如不为零，可以调节粗调和细调，使之为“0000”。当按入电流开关按钮后。仪器的恒定电流流过样品产生的电压降再输入仪器，由数字显示。在测量半导体电阻率时数字和单位直接在数字屏上读出。在测量电阻时应将仪器显示的单位“mΩ·Сm”、 “Ω·Сm”、

“KΩ·Сm”相应看成“mΩ”、 “Ω”、 “KΩ”，在测量薄层电阻时，同样应将仪器显示的单位“mΩ·Сm”、 “Ω·Сm”、 “KΩ·Сm”相应看成

“mΩ/□”、 “Ω/□”、 “KΩ□”并且数字显示值应乘上10倍。

如果要使测量更为准确些，在一次测量之后，再按一下极性开关，它测量电流方向与上次测量反相，再测量一次，测量结果取两次测量的平均值。测量完毕后，退出电流按钮。

 

（二）电阻率测量

                                L

                                                

                                                  S

 

                           图（3-1）

        VS         VτD²            V

ρ  =  -------  =  ------  =   K  -----      （3-1）

        IL          4IL             I

式中：V  电位电极电压上的电压降； I 通过试样的电流

S  试样的截面积； L  电位电极之间的距离； D 圆柱形试样的直径

。

     ，                                  S       ΤD²

为了使仪器能直接显示试样的电阻率，设I = --- =  -------  = K（3-2）

                          L       4L

式中，K 为体积修正系数，当电流I=K时  ρ=V，直接在仪器中读出，

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附录；四探针测试架操作说明

附录；四探针测试架操作说明

1．测量好薄片厚度。

2．对照下面提供的薄片电阻率厚度修正系数表格，由厚度决定修正系数F。例如硅片厚度0.23mm,查表得出0.1659。将仪器功能开关调节到“I调节位置”，旋动“电流调节”电位器（先将电流开关按入），使数字显示“166”（四舍五入），然后再将电流开关弹出。

3．按照表（5-2）选择好电流量程，例如电阻率范围在0.4--60ΩCm时,电流量程选择在1mA.电阻率在60∠ρ>800ΩCm时电流量程可选择在100μA等.

    表（5-1）测是电阻时电压电流量程选择

     4.选择好电压量程.见表(5-3).它决定电阻率显示的数字位数和测量精度.

   

根据国家及ASTM标准，仪器性质从保证测试精度考虑，在电阻率测试时，推荐用户采用以下电流电压程较合适。见表（5-3）所示

 

          表（5-3）测量电阻率及薄层电阻时推荐的电流电压量程选择

5.将”功能开关”拨到 “6.28”处.测量选择开关拨到测量位置.

     6.操作测试架,使探头与硅片接触,观察仪器数字显示,应为 “000”如果不为  “000”,可以调节 “调零电位器”.使之达到或者加大探头压力后,再调节到 “000”.

     7.按入 “电流开关” 仪器即显示为薄片测量的电阻率值,记录下.

     8.按动  “极性开关”,使电流反向,读出反向测量时的电阻率值,记下

     9.将二次测量的绝对值相加后取平均值,即为薄片电阻率值.弹出电流开关,测量完毕.

    以上为测量薄片电阻率的测量步骤.

 

1.    如果样品厚度大于6mm的块状电阻率时.所不同的是将2步骤改为 “I

调节”到 “1000”即可.测量电阻时.和方块电阻一样.其它3—9步骤相同.

2.    测量方块电阻时,除2步骤改为调到 “1000”外,功能开关还应拨到

“4.532”处.

3.    测量电阻时,2步骤调到  “1000”, 5步骤应拨到  “1”位置,其它3—9均相同.

4.    如果测量硅片时温度不在23⁰C时,还需将测量进行温度修正.

   

 

 

 

 

试样电阻率：    ρ= ---  =  -----  ==----- ×  K   - - - - -  （3-2）

     IL      4IL        I

 

式中：V电位电极上的电压降；I通过试样的电流；S试样的截面积；L电位电极之间的距离                 πD²   

   D为 圆柱形试样的直径    K== ---------        K为体积修正系数

                            4 L    

为了使仪器能直接显示试样的电阻率，仪器设定电流  I== K 时，测量出ρ=V，可以直接由电压表读出。查附表可得出不同的电位电极L、D和相应的体积修正系数。

式中，

 

2．测试    将高度基准从

“测量选择”开关置于“测量”档,调节电压调零旋钮使数字显示为 “0000”,然后按入电流开关,数字显示出电阻率值。如果数字表仅有第一位“1”显示。其它数字熄灭，说明已过载。可以将电压量程按入更高一档量程；再按极性开关，将测量电流方向反向，得到反方向电流时的电阻率值。如果要再进行精确测量，应当读取正、反向电流二次测量的电阻率，取平均值。

（四）一般电阻器的测量：将粉末测试台的电极测试头撤去，专用的四端子测试夹（附件）。按图（4-5）所示位置夹好四个夹子，将测量选择天关置“I调节”调节电流调节旋钮，使I==10000（即100mA）“工作方式”开关置于“I”选择适当的电压量程后测量之。      A

                           

                            V

          红色    黑  色               黑  色    红色

 

                             电阻

图（4-5）一般电阻测试图

（五）固态试样操作见四探针测试台的说明。

表(5-1)校验用标准电阻  

(2)电压量程校验   常用直流标准仪器法进行。如图（5-1）所示。

四探针测试架由探头及压力传动机构，样品台组成，探头采用精密加工，配有宝石导管，使测量误解差在为减少，且寿命长，探头内有弹簧加力装置，测试架还有高度精调、细调装置。，

    在半导体材料断面测量时，直径范围15--100mm，其高度为400mm，如果要对大于400mm长单晶断面测量，可以将升降升高或加长主柱，测试架有专门的屏蔽导线插头和电气箱联结。，