變溫四探針電阻率測試儀的開發及本科教學實踐

摘 要：為了便于測量半導體薄膜在變溫下的電阻率，滿足本科生《半導體材料》課程的教學要求，利用現有一臺室溫四探針測試儀和一臺恒溫加熱臺，開發了一臺變溫四探針電阻率測量儀，測量溫度范圍從室溫到300oC。通過磁控濺射法制備了熱致相變材料二氧化釩薄膜，利用自組裝的變溫四探針測試儀測量了該薄膜在不同溫度下的電阻率，得到了相變轉變溫度。教學實踐表明：該變溫四探針能夠很好的滿足關于半導體材料電阻率與溫度變化關系實驗測量的教學大綱要求，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：四探針 電阻率 變溫測量 教學效果

中圖分類號：TH162.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2011）01（c）-0122-02

半導體材料已成為微電子學、光電子學、磁電子學、傳感器、太陽能利用等新興學科的材料基礎。《半導體材料》課程比較全面的介紹了半導體材料的基本概念、以及制備方法。通過本課程的學習，要求學生掌握半導體材料的基本概念，以及各種制備方法，擴大學生的知識面，培養學生解決實際工程技術問題的能力，為以后的科研工作打好基礎。

電學性能是半導體材料區別金屬材料和絕緣體材料的主要特征，因而測量半導體材料的電學性能是必備的表征手段。原先的《半導體材料》課程教學大綱中，沒有涉及半導體材料電阻率測量的實驗教學環節。新修訂《半導體材料》課程教學大綱中，半導體材料電阻率與溫度關系測量實驗教學是主要的實驗教學內容。

四探針測量儀具有測試原理簡單、測試精度高、簡單快捷的優點，在半導體技術中得到了廣泛的應用，已經成為半導體生產工藝中應用最為廣泛的工藝監控手段之一。半導體材料的電學性能與溫度密切相關，一般來說，半導體材料的導電能力隨溫度升高而迅速增加，即半導體的電阻率具有負的溫度系數。而某些熱致相變材料在轉變點溫度時電阻率會發生急劇變化，比如二氧化釩在68℃附近發生半導體與金屬結構相變[1，2]。

本論文的目的在于利用現有的室溫四探針測試儀和恒溫加熱臺，開發一臺變溫四探針測試儀，開展半導體材料電阻率與溫度關系的測試實驗教學。通過磁控濺射法制備二氧化釩薄膜，開展電阻率與溫度關系的實驗教學，實踐表明：該變溫四探針能夠很好的滿足關于半導體材料電阻率與溫度變化關系實驗測量的教學大綱要求，取得了良好的教學效果。

1 變溫四探針測試儀的開發

1.1 室溫四探針測試儀

實驗室現有的室溫四探針測試儀，型號為KDY-1四探針測量儀，屬于直線型測試方法。四點探針的原理見圖1所示，四個探針（1，2，3，4）等距（間距為S）排成一條直線，給探針施加一定的壓力，使其垂直的壓在一塊樣品的表面。外側的兩個探針（1，4）之間施加精密恒流電流I，中間的兩個探針（2，3）之間接高精度數字電壓表U。

如果樣品的尺寸與探針間距大小相比都可視為無限大，探針1與樣品表面接觸可以看成是點電源，根據拉普拉斯方程，可以得到距離探針1（點電源）r處的電勢為

（1）

探針2處的電勢差應為探針1和探針4兩個極性相反電流源的共同作用：

（2）

探針3處的電勢差同樣應為探針1和探針4兩個極性相反電流源的共同作用：

（3）

所以，探針2和探針3兩點間的電勢差為：

（4）

由于直線型四探針間距相等，都為S，代入（4）中，因而

（5）

因而知道電流I1，4、電壓V2，3、探針間距S，就可以計算出半導體薄膜的電阻率[3，4]。

實驗現有的恒溫加熱臺型號為AZY1010，加熱功率1000W，平臺尺寸10cm*10cm，溫度范圍：室溫-300oC，溫度精度為1oC。

1.2 變溫四探針測量儀

為了實現變溫測量，需將樣品放在恒溫加熱臺上進行加熱和控溫。由于現有四探針探頭和測量底座的最大高度只有10cm，而恒溫工作臺的整體高度達到20cm，超過了探頭導軌的最大高度。因而重新加工了一個30cm高的導軌，這樣恒溫加熱工作臺就可以整體放入探頭的正下方，樣品放在恒溫加熱臺，實現變溫測量。

為了開展半導體材料電阻率與溫度關系的測量實驗教學，本文利用磁控濺射法制備了二氧化釩薄膜，并測量二氧化釩薄膜電阻率與溫度的變化關系。

2 實驗教學實踐

2.1 二氧化釩薄膜的制備

本文采用MSIB-6000型磁控濺射設備制備二氧化釩薄膜，襯底為石英片，靶材選用高純二氧化釩靶材，靶材直徑為60mm，厚度為3mm。實驗的具體參數如下：背底真空度1×10-4Pa，濺射功率100W，濺射氣壓0.5Pa，氬氣流量30sccm，濺射時間30min，襯底溫度300℃。濺射前先用有機溶劑對石英片超聲波清洗10min，再用去離子水清洗10min，然后用氮氣吹干。沉積薄膜前對靶預濺射5min，以去除靶表面的雜質。

2.2 半導體材料電阻率與溫度關系的實驗教學

利用自制的變溫四探針測試儀，開展了二氧化釩薄膜電阻率與溫度關系的實驗教學。由于二氧化釩薄膜的相變轉變溫度在70oC左右，本實驗教學的溫度變化從室溫到100oC，每隔5oC測量一次電導率。第一個測量點室溫為260C，第二個測量點為30oC，第三個測量點為35oC，一直到100oC。對于每個測量溫度點，要求溫度到后，恒溫等待5min后，再開始測試電阻率。測試結果如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著溫度的升高，二氧化釩薄膜的方塊電阻先迅速降低，然后趨于平緩。利用兩段趨勢的外延線相交，測量出二氧化釩材料的相變轉變溫度約為72oC，與文獻中報道的相變轉變溫度基本吻合。通過教學實踐表明：該變溫四探針能夠很好的滿足關于半導體材料電阻率與溫度變化關系實驗測量的教學大綱要求，取得了良好的教學效果。

3 結論

根據《半導體材料》課程新修訂教學大綱的需求，利用現有一臺室溫四探針測試儀和一臺恒溫加熱臺，自組裝了一臺變溫四探針電導率測量儀，并通過磁控濺射法制備二氧化釩材料，開展了半導體材料的電導率與溫度關系的實驗教學。教學實踐表明：該變溫四探針能夠很好的滿足關于半導體材料電阻率與溫度變化關系實驗測量的教學大綱要求，取得了良好的教學效果。

參考文獻

[1]宋婷婷，何捷，林理斌，等.氧化釩晶體的半導體至金屬相變的理論研究[J].物理學報，2010，59（9）：第59卷第9期， 6480-6485.

[2]柯才軍，陳西曲.金屬-半導體轉變的研究現狀及應用前景[J].材料科學與工程，2009，9（15）：4398-4420.

[3]劉新福，孫以材，劉東升.四探針技術測量薄層電阻的原理及應用[J].半導體技術，2004，29（7）：48-52.

[4]翟俊學，張保崗，張萍，等.變溫/變壓四探針測試儀的研制與應用[J].實驗室研究與探索，2011，30（3）：27-29.