数字化智能四探针测试仪的研制过程

摘要：将传统直流四探针测试仪与嵌入式系统相结合，研制出数字化智能四探针测试仪。该仪器可以自动识别被测样品电阻率，并自动切换到*佳档位，操作简便工作效率高,具有一定的实用和开发价值。

1 引言

　　 直流四探针测试法是微电子行业常用的测量材料电阻率的方法，通过测量材料的电阻率可以得到材料的掺杂浓度等重要信息。因此，在微电子工业中四探针测试仪一直是十分重要的测量仪器。

　　近年来，微电子工业在中国大陆发展迅速，传统的数字式直流四探针测试仪需要手动调节档位，测量周期长、工作效率低，已经无法适应时代发展，国内需要寻求一种新型的测试设备。

    　本文中介绍的数字化智能四探针测试仪可以自动切换量程、自动运算相关的数据。用户甚至可以在不了解四探针测试原理的情况下方便地测量材料的电阻率。该仪器具有PC机接口，通过PC机可以集中管理且硬件成本低廉。

2 测试原理

　　 主要依据范德堡原理（如图1）,通过两根探针提供一个电流流过样品，再用两根探针测量样品上的电位差，*后经过相关运算得到材料的电阻率。四探针测试仪的测试理论已经相当成熟

3 硬件设计

　　系统硬件由放大器、恒流源、控制逻辑、A/D转换器、显示器与电源6大模块组成，如图2。

3.1 恒流源

　　10mA或100mA电流输出电路如图3(a)，利用LM317的Vout端与ADJ端电位差恒为1.25V和ADJ端输出电流Iadj较小（可以忽略不计）的性质，通过继电器切换Radj实现输出电流的切换。

输出电流与Radj关系如下：

 Iout为输出电流。由于，Iadj值在46mA左右波动，所以为了保证精度，该电路仅用于提供10mA或100mA的电流。0.1mA或1mA电流输出电路如图3(b)。通过基准源Dcs1提供一个2.5V基准电压，利用运放虚短的性质在Radj两端提供一个稳定的电位差，使通过Radj两端的电流稳定。通过继电器切换Radj实现输出电流的切换。

输出电流与Radj的关系如下 

Iout为输出电流。

由于运放驱动能力有限，该电路仅用于提供1mA或0.1mA电流。

4 数据采集与处理

　　 数据采集与处理电路。以msp430f149单片机为核心，通过一个仪用差分放大电路完成对电压信号放大与滤波后送到单片机，利用单片机内部集成的12位ADC进行A/D转换；再通过程序判断并切换测量量程，直到测量量程合适，再进行数字滤波与运算；*后将电阻、电阻率、方块电阻与选用的量程显示在LCD屏上。工作流程如图4。

与传统四探针测试仪不同，本文中介绍的智能四探针测试仪对被测对象进行连续采样然后存入单片机的内存中。在运算与处理过程中首先对连续采得的多个结果进行数字滤波，滤除前端放大器没有滤除的毛刺与波动，然后针对量程的不同选择不同的参数建立数学模型，进行数字补偿处理，校正由于数据采集电路本身的偏移和放大倍数误差等问题造成的采样误差。*后，计算出相应的电阻率和方块电阻并显示在LCD屏上。

　　仪器的外观如图5，正面的面板上从左到右依次为电源开关、复位健、液晶显示屏和探针插座。相比传统四探针测试仪它没有电压量程旋钮与输出电流调节旋钮。由于以往需要人工进行的电压量程切换与输出电流调节工作已经被机器自动完成，所以这两个旋钮被省略了。仪器在操作上已经充分简化。

4 结论

　　 本文中介绍的四探针测试仪将传统四探针测试仪与嵌入式系统相结合。主要指标与功能如下：功耗小于6W；测量范围量程：0.025Ω-2500Ω； 自动显示小数点和单位；误差：±0.5%；具有数字补偿功能；自动运算结果；自动切换量程，超出量程自动报告；具有RS232接口可以和PC连接。

测量半导体电学

    为了满足各种半导体器件的需要，必需对材料的电学参数进行测量，这些参数一般为电 阻率、载流子浓度、导电类型、迁移率、寿命及载流子浓度分布等。测量方法有四探针 、三探针、扩展电阻、C-V法及Hall测量等。

对于半导体材料的电阻率，一般采用四探针、三探针和扩展电阻。

四探针法是经常采用的一种，原理简单，数据处理简便。测量范围为10-3-104 防 米， 能分辨毫米级材料的均匀性，适用于测量半导体材料、异型层、外延材料及扩散层、离 子注入层的电阻率，并能够提供一个迅速的、不破坏的、较准确的测量。

采用四探针法测量相同导电类型、低阻衬底的外延层材料的电阻率时，由于流经材料的 电流会在低阻衬底中短路，因此得到的是衬底与外延层电阻率并联的综合结果。这时， 需要采用三探针法、扩展电阻法等。

 三探针法是利用金属探针与半导体材料接触处的反向电流-电压特性、测定击穿时的电压 来获得材料电阻率的知识的。

C-V法利用PN结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓度及其分布的 信息，这类测量称为C-V测量技术。这种测量可以提供材料截面均匀性及纵向杂质浓度分 布的信息，因此比四探针、三探针等具有更大的优点。虽然扩展电阻也能测量纵向分布 ，但它需将样品进行磨角。但是C-V法既可以测量同型低阻衬底上外延材料的分布，也可测量高阻衬底用异型层的外延材料的分布。

    Hall测量在半导体材料测量中，霍尔效应有着广泛的应用。用它来研究半导体材料导电过程或输 运现象。可提供材料的导电类型、载流子浓度、杂质电离能（包括深、浅能级杂质）、 禁带宽度、迁移率及杂质补偿度等信息。