金属薄膜电阻率地测算测量资料.doc
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1、5 5 金属薄膜电阻率的测量金属薄膜电阻率的测量一一 实验目的实验目的1. 熟悉四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法。2. 了解影响电阻率的测量的各种因素及改进措施。二二 实验仪器实验仪器RTS-5 型双电测四探针测试仪三三 实验原理实验原理双电测组合四探针法采用了以下二种组合的测量模式(见图1)将直线四探针垂直压在被测样品表面上分别进行 I14V23 和I13V24 组合测量,测量过程如下:1. 进行I14V23组合测量:电流从针针,从、针测得电压V23+;电流换向,从针针,从、针测得电压V23-;计算正反向测量平均值:V23(V23+V23-)2;2.进行I13V24组合测量:电流
2、从针针,从、针测得电压V24+;电流换向,从针针,从、针测得电压V24-;计算正反向测量平均值:V24(V24+V24-)2;3. 计算(V23V24)值;(以上V23、V24均以mV 为单位)4. 按以下两公式计算几何修正因子:若1.18(V23V24)1.38 时;K14.69625.173(V23V24)7.872(V23V24)2;(1)若1.10(V23V24)1.18 时;K15.8526.15(V23V24)7.872(V23V24)2;(2)5. 计算方块电阻R:(V23) (单位:);(3)其中:为测试电流,单位:mA;V23为从、针测得电压V23+和V23-的平均值,单位:
3、mV;6. 若已知样品厚度W,可按下式计算样品体电阻率:RWF(W/S)10 (单位:.cm);(4)其中:为方块电阻值,单位:;W为样片厚度,单位:mm(W 3mm);S为探针平均间距,单位:mm;F(W/S) 为厚度修正系数;7. 计算百分变化率(以测试样品电阻率为例):M m 最大百分变化()100(5)ma c 平均百分变化()100(6)c (M m )径向不均匀度()100(7)M m 以上式中:M 、m 分别为测量的电阻率最大值与最小值,单位:.cm;c 为第1、2 点(即圆片中心测量点)测量平均值,单位:.cm;a 为除第1、2 点外其余各点的测量平均值,单位:.cm;(若测量
4、样品的方块电阻值,则将(5)、(6)、(7)式中的M 、m 、a 、c 分别改成M 、m 、a 、和c 。其公式意义与M 、m 、a 、c 相似)。四实验步骤实验步骤1.将主机、探针测试台、四探针探头、计算机连接,开启主机,启动 RTS-5 双电测四探针软件测试系统2. 放置样品于测试台,操作探针台压下探针,使样品接通电流3.选择对样品要进行的测试类别,及输入相关测试基本参数4. 执行【测量】功能按弹出提示窗口调节主机电位器使主机电流显示为此值按【确定】按钮继续测量执行【自动测量】功能按弹出提示窗口调节主机电位器使主机电流显示为 45.32A按【确定】按钮继续测量5. 【实时采集两次组合模式下
5、的电压值】窗口实时显示两次组合模式下电压的正反向、平均值;【统计测试数据】窗口显示样品测试点的测量数据6. 对测量数据进行打印、保存、生成 EXCEL 文件响电阻率测量的各种因素及改进措施响电阻率测量的各种因素及改进措施1、环境温湿度一般材料的电阻值会随环境温度及湿度的升高而减小。所以相比较而言,表面电阻(率)对环境湿度比较敏感,而体电阻(率)则对温度较为敏感。湿度增加,表面泄漏增大,体电导电流也会增加。温度升高,载流子的运动速率加快,介质材料的吸收电流和电导电流会相应增加,据有关资料报道,一般介质在 70C 时的电阻值仅有 20C 时的 10。因此,测量材料的电阻时,必须指明试样与环境达到平
6、衡的温湿度。2、测试电压及电场强度介质材料的电阻(率)值一般不能在很宽的电压范围内保持不变,即欧姆定律对此并不适用。常温条件下,在较低的电压范围内,电导电流随外加电压的增加而线性增加,材料的电阻值保持不变。超过一定电压后,由于离子化运动加剧,电导电流的增加远比测试电压增加的快,材料呈现的电阻值迅速降低。由此可见,外加测试电压越高,材料的电阻值越低,以致在不同电压下测试得到的材料电阻值可能有较大的差别。值得注意的是,导致材料电阻值变化的决定因素是测试时的电场强度,而不是测试电压。对相同的测试电压,若测试电极之间的距离不同,对材料电阻率的测试结果也将不同,正负电极之间的距离越小,测试值也越小。3、
7、测试时间用一定的直流电压对被测材料加压时,被测材料上的电流不是瞬时达到稳定值的,而是有一衰减过程。在加压的同时,流过较大的充电电流,接着是比较长时间缓慢减小的吸收电流,最后达到比较平稳的电导电流。被测电阻值越高,达到平衡的时间则越长。因此,测量时为了正确读取被测电阻值,应在稳定后读取数值或取加压 1 分钟后的读数值。另外,高绝缘材料的电阻值还与其带电的历史有关。为准确评价材料的静电性能,在对材料进行电阻(率)测试时,应首先对其进行消电处理,并静置一定的时间,静置时间可取 5 分钟,然后,再按测量程序测试。一般而言,对一种材料的测试,至少应随机抽取35 个试样进行测试,以其平均值作为测试结果。4
8、、测试设备的泄漏在测试中,线路中 绝缘电阻绝缘电阻 不高的连线,往往会不适当地与被测试样、取样电阻等并联,对测量结果可能带来较大的影响。为此:为减小测量误差,应采用保护技术,在漏电流大的线路上安装保护导体,以基本消除杂散电流对测试结果的影响;采用聚乙烯、聚四氟乙烯等绝缘材料制作测试台和支撑体,以避免由于该类原因导致测试值偏低。高电压线由于表面电离,对地有一定泄漏,所以尽量采用高绝缘、大线径的高压导线作为高压输出线并尽量缩短连线,减少尖端,杜绝电晕放电;5、外界干扰 高绝缘材料加上直流电压后,通过试样的电流是很微小的,极易受到外界干扰的影响,造成较大的测试误差。热电势、接触电势一般很小,可以忽略
9、;电解电势主要是潮湿试样与不同金属接触产生的,大约只有 20mV,况且在静电测试中均要求相对湿度较低,在干燥环境中测试时,可以消除电解电势。因此,外界干扰主要是杂散电流的耦合或静电感应产生的电势。在测试电流小于 10-10A 或测量电阻超过 1011 欧姆时;被测试样、测试电极和测试系统均应采取严格的屏蔽措施,消除外界干扰带来的影响。七实验结论实验结论1.薄层方块电阻为=6.74/ 2.薄片电阻率为 =0.1.cm八思考题八思考题1.什么是体电阻?方块电阻?答:体电阻是指材料两端之间的直流电压与通过电流的比值,单位是欧姆。薄层电阻又叫方块电阻,长 L 和宽 W 相等的一个方块的电阻称为方块电阻
10、 R。如果一个均匀导体是一宽为 W,厚度为 d 的薄层,则R=L/S=L/dW=/d 单位为 /。可见 R 阻值大小与正方形的边长无关,故称为方块电阻,仅仅与薄膜的厚度有关。2.为什么要用四探针进行测量,如果只用两根探针既做电流探针又做电压探针,是否能够对样品进行准确的测量,为什么?答:接触电阻的影响严重。探针与半导体体接触产生一定厚度的耗尽层,耗尽层是高阻的,另外探针与半导体之间不像与金属之间一样很好的接触,还会产生产生一个额外的电阻扩展电阻。变温霍尔效应的测定变温霍尔效应的测定一 实验目的实验目的1、了解半导体中霍尔效应的产生原理,霍尔系数表达式的推导及其副效应的产生和消除。2、掌握霍尔系
11、数和电导率的测量方法、样品导电类型的判别方法、半导体材料的霍尔系数、电导率、载流子浓度和霍尔迁移率的计算方法。3、掌握动态法测量霍尔系数的原理。4、了解霍尔器件的应用,理解半导体的导电机制。5、掌握实验数据处理方法,并能利用 Origin 绘图软件对实验数据进行处理和分析。二实验器材实验器材变温霍尔实验仪二 实验原理实验原理1霍尔效应和霍尔系数 霍尔效应是一种电流磁效应(如图一)霍尔效应是一种电流磁效应(如图一)当半导体样品通以电流 Is,并加一垂直于电流的磁场 B,则在样品两侧产生一横向电势差 UH,这种现象称为“霍尔效应”, UH称为霍尔电压,UH=RHISB/d (1)RH=UHd/IS
12、B (2)RH叫做霍尔系数,d 为样品厚度。对于 P 型半导体样品,RH=1/qp (3) 式中 q 为空穴电荷电量,p 为半导体载流 子空穴浓度。对于 n 型半导体样品,RH= -1/qn (4)式中为 n 电子电荷电量。考虑到载流子速度的统计分布以及载流子在运动中受到散射等因素的影响。在霍尔系数的表达式中还应引入霍尔因子 A,则(3) (4)修正为 p 型半导体样品 RH=A/qp(5)n 型半导体样品,RH= -A/qn(6)A的大小与散射机理及能带结构有关。 在弱磁场(一般为200mT)条件下,对球形等能面的非简并半导体,在较高温度(晶格散射起主要作用)情况下,A=1.18,在较低的温
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