變溫四探針電阻率測(cè)試儀的開(kāi)發(fā)及本科教學(xué)實(shí)踐

摘 要：為了便于測(cè)量半導(dǎo)體薄膜在變溫下的電阻率，滿足本科生《半導(dǎo)體材料》課程的教學(xué)要求，利用現(xiàn)有一臺(tái)室溫四探針測(cè)試儀和一臺(tái)恒溫加熱臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一臺(tái)變溫四探針電阻率測(cè)量?jī)x，測(cè)量溫度范圍從室溫到300oC。通過(guò)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(cè)試儀測(cè)量了該薄膜在不同溫度下的電阻率，得到了相變轉(zhuǎn)變溫度。教學(xué)實(shí)踐表明：該變溫四探針能夠很好的滿足關(guān)于半導(dǎo)體材料電阻率與溫度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)測(cè)量的教學(xué)大綱要求，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：四探針 電阻率 變溫測(cè)量 教學(xué)效果

中圖分類號(hào)：TH162.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2011）01（c）-0122-02

半導(dǎo)體材料已成為微電子學(xué)、光電子學(xué)、磁電子學(xué)、傳感器、太陽(yáng)能利用等新興學(xué)科的材料基礎(chǔ)。《半導(dǎo)體材料》課程比較全面的介紹了半導(dǎo)體材料的基本概念、以及制備方法。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握半導(dǎo)體材料的基本概念，以及各種制備方法，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題的能力，為以后的科研工作打好基礎(chǔ)。

電學(xué)性能是半導(dǎo)體材料區(qū)別金屬材料和絕緣體材料的主要特征，因而測(cè)量半導(dǎo)體材料的電學(xué)性能是必備的表征手段。原先的《半導(dǎo)體材料》課程教學(xué)大綱中，沒(méi)有涉及半導(dǎo)體材料電阻率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。新修訂《半導(dǎo)體材料》課程教學(xué)大綱中，半導(dǎo)體材料電阻率與溫度關(guān)系測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)是主要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

四探針測(cè)量?jī)x具有測(cè)試原理簡(jiǎn)單、測(cè)試精度高、簡(jiǎn)單快捷的優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中應(yīng)用最為廣泛的工藝監(jiān)控手段之一。半導(dǎo)體材料的電學(xué)性能與溫度密切相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力隨溫度升高而迅速增加，即半導(dǎo)體的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)。而某些熱致相變材料在轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度時(shí)電阻率會(huì)發(fā)生急劇變化，比如二氧化釩在68℃附近發(fā)生半導(dǎo)體與金屬結(jié)構(gòu)相變[1，2]。

本論文的目的在于利用現(xiàn)有的室溫四探針測(cè)試儀和恒溫加熱臺(tái)，開(kāi)發(fā)一臺(tái)變溫四探針測(cè)試儀，開(kāi)展半導(dǎo)體材料電阻率與溫度關(guān)系的測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過(guò)磁控濺射法制備二氧化釩薄膜，開(kāi)展電阻率與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)踐表明：該變溫四探針能夠很好的滿足關(guān)于半導(dǎo)體材料電阻率與溫度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)測(cè)量的教學(xué)大綱要求，取得了良好的教學(xué)效果。

1 變溫四探針測(cè)試儀的開(kāi)發(fā)

1.1 室溫四探針測(cè)試儀

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的室溫四探針測(cè)試儀，型號(hào)為KDY-1四探針測(cè)量?jī)x，屬于直線型測(cè)試方法。四點(diǎn)探針的原理見(jiàn)圖1所示，四個(gè)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(cè)的兩個(gè)探針（1，4）之間施加精密恒流電流I，中間的兩個(gè)探針（2，3）之間接高精度數(shù)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(wú)限大，探針1與樣品表面接觸可以看成是點(diǎn)電源，根據(jù)拉普拉斯方程，可以得到距離探針1（點(diǎn)電源）r處的電勢(shì)為

（1）

探針2處的電勢(shì)差應(yīng)為探針1和探針4兩個(gè)極性相反電流源的共同作用：

（2）

探針3處的電勢(shì)差同樣應(yīng)為探針1和探針4兩個(gè)極性相反電流源的共同作用：

（3）

所以，探針2和探針3兩點(diǎn)間的電勢(shì)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(jì)算出半導(dǎo)體薄膜的電阻率[3，4]。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)有的恒溫加熱臺(tái)型號(hào)為AZY1010，加熱功率1000W，平臺(tái)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(cè)量?jī)x

為了實(shí)現(xiàn)變溫測(cè)量，需將樣品放在恒溫加熱臺(tái)上進(jìn)行加熱和控溫。由于現(xiàn)有四探針探頭和測(cè)量底座的最大高度只有10cm，而恒溫工作臺(tái)的整體高度達(dá)到20cm，超過(guò)了探頭導(dǎo)軌的最大高度。因而重新加工了一個(gè)30cm高的導(dǎo)軌，這樣恒溫加熱工作臺(tái)就可以整體放入探頭的正下方，樣品放在恒溫加熱臺(tái)，實(shí)現(xiàn)變溫測(cè)量。

為了開(kāi)展半導(dǎo)體材料電阻率與溫度關(guān)系的測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本文利用磁控濺射法制備了二氧化釩薄膜，并測(cè)量二氧化釩薄膜電阻率與溫度的變化關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

2.1 二氧化釩薄膜的制備

本文采用MSIB-6000型磁控濺射設(shè)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(shí)驗(yàn)的具體參數(shù)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(shí)間30min，襯底溫度300℃。濺射前先用有機(jī)溶劑對(duì)石英片超聲波清洗10min，再用去離子水清洗10min，然后用氮?dú)獯蹈伞３练e薄膜前對(duì)靶預(yù)濺射5min，以去除靶表面的雜質(zhì)。

2.2 半導(dǎo)體材料電阻率與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

利用自制的變溫四探針測(cè)試儀，開(kāi)展了二氧化釩薄膜電阻率與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由于二氧化釩薄膜的相變轉(zhuǎn)變溫度在70oC左右，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)的溫度變化從室溫到100oC，每隔5oC測(cè)量一次電導(dǎo)率。第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)室溫為260C，第二個(gè)測(cè)量點(diǎn)為30oC，第三個(gè)測(cè)量點(diǎn)為35oC，一直到100oC。對(duì)于每個(gè)測(cè)量溫度點(diǎn)，要求溫度到后，恒溫等待5min后，再開(kāi)始測(cè)試電阻率。測(cè)試結(jié)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(shì)的外延線相交，測(cè)量出二氧化釩材料的相變轉(zhuǎn)變溫度約為72oC，與文獻(xiàn)中報(bào)道的相變轉(zhuǎn)變溫度基本吻合。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐表明：該變溫四探針能夠很好的滿足關(guān)于半導(dǎo)體材料電阻率與溫度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)測(cè)量的教學(xué)大綱要求，取得了良好的教學(xué)效果。

3 結(jié)論

根據(jù)《半導(dǎo)體材料》課程新修訂教學(xué)大綱的需求，利用現(xiàn)有一臺(tái)室溫四探針測(cè)試儀和一臺(tái)恒溫加熱臺(tái)，自組裝了一臺(tái)變溫四探針電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，并通過(guò)磁控濺射法制備二氧化釩材料，開(kāi)展了半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐表明：該變溫四探針能夠很好的滿足關(guān)于半導(dǎo)體材料電阻率與溫度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)測(cè)量的教學(xué)大綱要求，取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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

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