數(shù)字化智能四探針測試儀的測試原理

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

1引言

　　直流四探針測試法是微電子行業(yè)常用的測量材料電阻率的方法，通過測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)中四探針測試儀一直是十分重要的測量儀器。

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

    　本文中介紹的數(shù)字化智能四探針測試儀可以自動切換量程、自動運(yùn)算相關(guān)的數(shù)據(jù)。用戶甚至可以在不了解四探針測試原理的情況下方便地測量材料的電阻率。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電流流過樣品，再用兩根探針測量樣品上的電位差，*后經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算得到材料的電阻率。四探針測試儀的測試?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，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，通過一個儀用差分放大電路完成對電壓信號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量量程，直到測量量程合適，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)四探針測試儀不同，本文中介紹的智能四探針測試儀對被測對象進(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連續(xù)采得的多個結(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，然后針對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)器自動完成，所以這兩個旋鈕被省略了。儀器在操作上已經(jīng)充分簡化。

4結(jié)論

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

測量半導(dǎo)體電學(xué)

    為了滿足各種半導(dǎo)體器件的需要，必需對材料的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量，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。測量方法有四探針、三探針、擴(kuò)展電阻、C-V法及Hall測量等。

對于半導(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，原理簡單，數(shù)據(jù)處理簡便。測量范圍為10-3-104 防米，能分辨毫米級材料的均勻性，適用于測量半導(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，并能夠提供一個迅速的、不破壞的、較準(zhǔn)確的測量。

采用四探針法測量相同導(dǎo)電類型、低阻襯底的外延層材料的電阻率時，由于流經(jīng)材料的電流會在低阻襯底中短路，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，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、測定擊穿時的電壓來獲得材料電阻率的知識的。

C-V法利用PN結(jié)或肖特基勢壘在反向偏壓時的電容特性，可以獲得材料中雜質(zhì)濃度及其分布的信息，這類測量稱為C-V測量技術(shù)。這種測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法既可以測量同型低阻襯底上外延材料的分布，也可測量高阻襯底用異型層的外延材料的分布。

    Hall測量在半導(dǎo)體材料測量中，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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