Методы измерения удельного электрического сопротивления

Цель работы
ознакомиться с двухзондовым и четырехзондовым методами измерения измерения удельного электрического сопротивления; выполнить измерение величины для ряда образцов полупроводниковых материалов.

Содержание

Порядок выполнения работы

Проверка состояния зондов

  1. Опустить зонды на держатель образца «до упора».

  2. Подняв зонды, удостовериться в том, что они выступают из держателя (в положении равновесия) примерно на одинаковое — в пределах порядка ±20 % от средней длины выступающей части — расстояние.

    (В данном случае, мы предполагаем, что сила, действующая на зонд, пропорциональна его отклонению от положения равновесия. Цель данного шага, тем самым — проверить, что силы, с которыми зонды прижимаются к образцу, также близки по величине.)

  3. Измерить расстояние между зондами — для использования в последующих расчетах удельного сопротивления.

Установка образца

  1. Поднять зонды над держателем образца.
  2. Закрепить образец под зондами, между торцевыми контактами держателя.
  3. Опустить зонды на образец «до упора».

Измерение удельного сопротивления

  1. Подключить выход генератора к торцевым контактам (для двухзондового метода измерения) или к крайним зондам (для четырехзондового.)
  2. Указать сопротивление токоизмерительного резистора.
  3. Задать параметры генератора — синусоидальный сигнал частотой 7‒13 Гц и амплитудой до порядка 10 В (в зависимости от образца.) Длительность — 0.5 с; частота дискретизации — 192 кГц.
  4. Выполнить программу снятия измерений.
  5. Изучить построенные программой графики (прежде всего — вольт-амперную характеристику) на предмет возможных проблем. При их наличии — устранить и повторить измерение.
  6. Записать номер образца, метод измерения, вычисленные методом наименьших квадратов величины — сопротивление (без множителей, учитывающих геометрию задачи), смещение, сумму квадратов остатков.
  7. Повторить измерения для выбранных образца и метода 10‒20 раз, каждый раз переустанавливая зонды. Вычислить среднее значение удельного сопротивления, стандартное отклонение, доверительный интервал.

Возможные проблемы и их устранение

Наличие отчетливых «срезов» на графиках напряжения на резисторе и измерительных зондах — свидетельствует о превышении предельного возможного выходного тока для используемого генератора. Решить эту проблему можно уменьшив амплитуду генерируемого сигнала. (Что, при постоянном сопротивлении образца, пропорционально уменьшит и ток.)

«Плавное» насыщение на концах ВАХ (и соответствующее ему превышение суммой квадратов остатков величины порядка 5 ⋅ 10⁻⁷ В²) объяснимо нагревом полупроводника в области контактов и может быть устранено уменьшением подаваемого напряжения. (С другой стороны, напряжение следует поддерживать как можно бо́льшим, чтобы уменьшить вклад абсолютной погрешности измерителей.)

Влияние на образец яркого света (в частности — прямых солнечных лучей) может приводить к изменению сопротивления на величину порядка 10 % и более. По-возможности, следует затенить образец при проведении измерений.

Ряд проблем связан с «плохим» контактом одного или более зондов с образцом и может быть решен (с некоторой вероятностью) простой переустановкой зондов. В их числе следующие.

  1. Наличие очевидных «помех» и разрывов на графиках напряжения, «петель» на построенной ВАХ — может свидетельствовать о неустойчивом контакте.
  2. Заметная разность фаз между графиками тока и напряжения; наличие на ВАХ смещения, превышающего порядка 1 мВ — возможны при образовании паразитной емкости в точке контакта.
  3. Существенная асимметрия или нелинейность построенной ВАХ, появление участков с «отрицательным» сопротивлением — могут быть признаками образования МОП-структур в точках контактов металлических зондов с поверхностью полупроводника.

© 2015 Иван Шмаков, CC BY-SA 3.0+.