摘(zhāi)要：將(jiāng)傳統直流四(sì)探(tàn)針測試(shì)儀(yí)與(yǔ)嵌入式係統(tǒng)相結合，研製出數字化(huà)智(zhì)能四(sì)探(tàn)針(zhēn)測試(shì)儀。該儀器(qì)可(kě)以(yǐ)自(zì)動識(shí)別被測(cè)樣品電(diàn)阻(zǔ)率(shuài)，並(bìng)自動切(qiē)換到*佳檔(dàng)位，操(cāo)作簡便(biàn)工作效率(shuài)高,具有一定的實用和(hé)開(kāi)發(fā)價值(zhí)。

1 引言(yán)

　　 直流(liú)四探(tàn)針(zhēn)測試法是微(wēi)電(diàn)子行(háng)業(yè)常(cháng)用的測量(liáng)材(cái)料電阻率的方(fāng)法，通過測量材料(liào)的電(diàn)阻(zǔ)率可以(yǐ)得到材(cái)料的(dí)摻雜濃度等重要(yào)信(xìn)息。因(yīn)此，在微(wēi)電(diàn)子工業(yè)中(zhōng)四探(tàn)針(zhēn)測(cè)試(shì)儀(yí)一(yī)直是(shì)十分重要的(dí)測(cè)量儀(yí)器(qì)。

　　近(jìn)年來，微電子工業(yè)在中(zhōng)國大陸發展迅速，傳(chuán)統的數字(zì)式直流(liú)四探針測試儀需(xū)要手動調節(jié)檔(dàng)位，測量周(zhōu)期(qī)長，工(gōng)作效(xiào)率低(dī)，已(yǐ)經無法適應時代(dài)發(fā)展，國內(nèi)需要尋求(qiú)一種新(xīn)型(xíng)的(dí)測試(shì)設(shè)備(bèi)。

    　本(běn)文(wén)中介(jiè)紹的(dí)數(shù)字化智能四(sì)探針(zhēn)測試儀(yí)可(kě)以自(zì)動切換(huàn)量程(chéng)，自(zì)動運(yùn)算(suàn)相關(guān)的數據(jù)。用戶甚(shèn)至(zhì)可(kě)以在不了解(jiě)四探針測(cè)試原理的情況下方(fāng)便(biàn)地(dì)測量(liáng)材料的電(diàn)阻率。該(gāi)儀器具(jù)有(yǒu)PC機(jī)接口(kǒu)，通(tōng)過(guò)PC機(jī)可以集中管(guǎn)理且硬(yìng)件(jiàn)成(chéng)本低廉。

2 測試(shì)原理(lǐ)

　　 主要(yào)依據範德堡(bǎo)原理(lǐ)（如圖1）,通(tōng)過兩根(gēn)探針提供一個電(diàn)流流(liú)過樣品，再用(yòng)兩根(gēn)探針測(cè)量樣(yàng)品上(shàng)的(dí)電位(wèi)差，*後(hòu)經(jīng)過相(xiāng)關(guān)運(yùn)算得到(dào)材料(liào)的電(diàn)阻率(shuài)。四(sì)探針測試儀(yí)的測試理(lǐ)論(lùn)已(yǐ)經(jīng)相(xiāng)當(dāng)成熟(shú)

3 硬(yìng)件設計(jì)

　　係(xì)統硬(yìng)件(jiàn)由(yóu)放(fàng)大器(qì)，恒(héng)流(liú)源，控製(zhì)邏(luó)輯，A/D轉(zhuǎn)換器，顯示器(qì)與電源(yuán)6大模(mó)塊組成(chéng)，如圖2。

3.1 恒流源

　　10mA或100mA電(diàn)流輸出電路如圖(tú)3(a)，利(lì)用LM317的Vout端(duān)與ADJ端電(diàn)位差(chà)恒(héng)為1.25V和(hé)ADJ端(duān)輸出(chū)電(diàn)流(liú)Iadj較(jiào)小（可(kě)以(yǐ)忽略不計）的性質，通過(guò)繼電器(qì)切(qiē)換Radj實現輸出電流的切(qiē)換(huàn)。

輸出電流與Radj關(guān)係如下：

 Iout為輸出電流(liú)。由於，Iadj值在46mA左(zuǒ)右(yòu)波動，所(suǒ)以為(wéi)了保(bǎo)證精(jīng)度(dù)，該(gāi)電路(lù)僅(jǐn)用於提供10mA或(huò)100mA的電流。0.1mA或1mA電流輸出電路如圖3(b)。通過(guò)基準(zhǔn)源Dcs1提(tí)供(gōng)一個(gè)2.5V基(jī)準(zhǔn)電壓，利用(yòng)運放(fàng)虛短的性質(zhì)在Radj兩(liǎng)端提(tí)供一個(gè)穩定的電位(wèi)差，使(shǐ)通過(guò)Radj兩(liǎng)端(duān)的電流(liú)穩定。通(tōng)過繼電器(qì)切(qiē)換(huàn)Radj實(shí)現輸出(chū)電流的(dí)切換。

輸出(chū)電(diàn)流與Radj的關係(xì)如(rú)下 

Iout為輸(shū)出電(diàn)流。

由於(yú)運(yùn)放(fàng)驅動能力(lì)有(yǒu)限(xiàn)，該電(diàn)路僅(jǐn)用(yòng)於提供1mA或0.1mA電(diàn)流。

4 數(shù)據采集與處(chǔ)理(lǐ)

　　 數據采集(jí)與處理電(diàn)路。以msp430f149單(dān)片(piàn)機為(wéi)核(hé)心，通過(guò)一個儀(yí)用(yòng)差分放大(dà)電路完(wán)成對電壓(yā)信(xìn)號放大與濾(lǜ)波(bō)後送到(dào)單片(piàn)機，利用單(dān)片機(jī)內部集成(chéng)的12位ADC進行(háng)A/D轉(zhuǎn)換；再通過(guò)程(chéng)序判(pàn)斷並切換測(cè)量量程，直到測量(liáng)量(liáng)程合適，再進行(háng)數字(zì)濾波(bō)與(yǔ)運算；*後(hòu)將(jiāng)電(diàn)阻，電阻(zǔ)率，方塊電(diàn)阻(zǔ)與(yǔ)選用的(dí)量程顯示(shì)在(zài)LCD屏上(shàng)。工(gōng)作流程(chéng)如(rú)圖4。

與傳(chuán)統四(sì)探(tàn)針測(cè)試(shì)儀(yí)不(bù)同，本(běn)文中介(jiè)紹的智能四(sì)探針測(cè)試(shì)儀(yí)對被測(cè)對象進行連(lián)續(xù)采(cǎi)樣然後(hòu)存(cún)入單片機的內存中。在(zài)運算(suàn)與處理(lǐ)過程(chéng)中(zhōng)首(shǒu)先(xiān)對連續(xù)采得的多個(gè)結果進(jìn)行數(shù)字濾(lǜ)波，濾(lǜ)除前(qián)端放(fàng)大器(qì)沒有(yǒu)濾(lǜ)除(chú)的毛刺與(yǔ)波(bō)動(dòng)，然後針對量程(chéng)的(dí)不同選擇不(bù)同的參數(shù)建(jiàn)立數(shù)學模型，進(jìn)行(háng)數(shù)字補償處理(lǐ)，校正(zhèng)由於(yú)數據采(cǎi)集電路(lù)本身(shēn)的(dí)偏移(yí)和(hé)放(fàng)大(dà)倍(bèi)數誤(wù)差(chà)等問題(tí)造成的(dí)采樣誤差。*後，計算(suàn)出相應的(dí)電(diàn)阻率和方(fāng)塊(kuài)電(diàn)阻(zǔ)並(bìng)顯(xiǎn)示在LCD屏上(shàng)。

　　儀器的(dí)外(wài)觀如圖5，正麵的麵(miàn)板(bǎn)上(shàng)從左到右依(yī)次為電源(yuán)開關(guān)，復(fù)位(wèi)健，液晶(jīng)顯(xiǎn)示屏(píng)和探(tàn)針(zhēn)插(chā)座(zuò)。相比(bǐ)傳統(tǒng)四探針測試儀它沒有(yǒu)電壓量程(chéng)旋鈕與(yǔ)輸出電(diàn)流(liú)調節(jié)旋(xuán)鈕。由於以(yǐ)往需要人(rén)工進行的電壓量(liáng)程切換(huàn)與(yǔ)輸出(chū)電(diàn)流調節(jié)工作(zuò)已經(jīng)被機器自動(dòng)完(wán)成，所(suǒ)以這兩(liǎng)個(gè)旋鈕被省略了。儀器在操作上(shàng)已經(jīng)充分簡化(huà)。

4 結(jié)論

　　 本(běn)文(wén)中介(jiè)紹的四探(tàn)針測(cè)試(shì)儀將傳統四探針(zhēn)測試儀與(yǔ)嵌(qiàn)入式係統相結合。主(zhǔ)要指標與功能(néng)如(rú)下：功耗小於6W；測量範(fàn)圍(wéi)量(liáng)程(chéng)：0.025Ω-2500Ω； 自(zì)動(dòng)顯(xiǎn)示(shì)小數點(diǎn)和(hé)單(dān)位；誤差：±0.5%；具(jù)有數(shù)字補償(cháng)功能(néng)；自(zì)動運算結果；自(zì)動(dòng)切換量程，超出量(liáng)程(chéng)自動(dòng)報(bào)告(gào)；具(jù)有(yǒu)RS232接(jiē)口(kǒu)可(kě)以和PC連接。

測量(liáng)半導(dǎo)體電學

    為了滿足(zú)各種半導體器(qì)件的需(xū)要(yào)，必(bì)需(xū)對材(cái)料的電學(xué)參數進行測量，這(zhè)些(xiē)參數(shù)一般(bān)為電 阻率，載(zǎi)流子(zǐ)濃(nóng)度，導(dǎo)電(diàn)類(lèi)型(xíng)，遷移(yí)率(shuài)，壽命及載(zǎi)流(liú)子濃(nóng)度分(fēn)布等(děng)。測(cè)量方法有四探針 ，三(sān)探針(zhēn)，擴展電阻(zǔ)，C-V法及Hall測量等。

對(duì)於(yú)半(bàn)導(dǎo)體(tǐ)材料(liào)的(dí)電(diàn)阻率(shuài)，一般采(cǎi)用四探(tàn)針(zhēn)，三(sān)探針和擴(kuò)展電阻(zǔ)。

四探(tàn)針法是經(jīng)常(cháng)采(cǎi)用(yòng)的(dí)一種(zhǒng)，原理(lǐ)簡單，數據處理(lǐ)簡(jiǎn)便。測(cè)量(liáng)範圍為10-3-104 防 米， 能(néng)分(fēn)辨(biàn)毫米(mǐ)級(jí)材(cái)料的均匀性，適(shì)用於測量(liáng)半(bàn)導(dǎo)體材料，異型層(céng)，外(wài)延材(cái)料及(jí)擴(kuò)散(sàn)層，離 子注入(rù)層的電阻率，並能夠提供(gōng)一個迅速(sù)的(dí)，不(bù)破壞的(dí)，較(jiào)準確(què)的測(cè)量。

采用四探(tàn)針(zhēn)法測量相(xiāng)同導(dǎo)電類(lèi)型，低阻襯底的(dí)外(wài)延層材料的(dí)電阻率時，由於(yú)流(liú)經材料(liào)的(dí) 電(diàn)流會在低(dī)阻襯(chèn)底(dǐ)中短(duǎn)路，因(yīn)此(cǐ)得(dé)到(dào)的(dí)是襯底(dǐ)與外延層電(diàn)阻率(shuài)並聯的(dí)綜(zōng)合(hé)結果。這時(shí)， 需(xū)要采(cǎi)用三(sān)探針法(fǎ)，擴展電(diàn)阻(zǔ)法(fǎ)等。

 三(sān)探(tàn)針(zhēn)法是利(lì)用金屬(shǔ)探(tàn)針與(yǔ)半(bàn)導體(tǐ)材料(liào)接(jiē)觸(chù)處(chǔ)的反(fǎn)向電流(liú)-電(diàn)壓特(tè)性，測(cè)定(dìng)擊穿時的電壓(yā) 來獲(huò)得(dé)材(cái)料(liào)電阻(zǔ)率的知(zhī)識的。

C-V法(fǎ)利用PN結(jié)或肖(xiāo)特基(jī)勢壘在(zài)反向偏壓時(shí)的(dí)電(diàn)容特性，可以(yǐ)獲得材(cái)料中雜(zá)質(zhì)濃度及(jí)其分布(bù)的(dí) 信(xìn)息，這類測(cè)量稱為C-V測量(liáng)技術(shù)。這(zhè)種(zhǒng)測(cè)量可(kě)以(yǐ)提(tí)供材(cái)料截麵(miàn)均(jūn)匀性(xìng)及縱(zòng)向(xiàng)雜質濃度分 布的(dí)信(xìn)息，因此比(bǐ)四(sì)探(tàn)針(zhēn)，三(sān)探針(zhēn)等具有更大的優點。雖然擴展(zhǎn)電阻也能測(cè)量縱向分(fēn)布 ，但它需(xū)將(jiāng)樣品(pǐn)進(jìn)行磨角。但(dàn)是(shì)C-V法既可以測(cè)量同型(xíng)低阻(zǔ)襯底上外延材(cái)料的分(fēn)布，也(yě)可(kě)測量高阻(zǔ)襯底用異(yì)型層(céng)的外延材料的分布。

    Hall測量(liáng)在半導體材料測(cè)量中(zhōng)，霍爾效應有(yǒu)著(zhuó)廣泛的應用。用它(tā)來(lái)研究半導體(tǐ)材料導電(diàn)過程或輸 運現象。可提供(gōng)材(cái)料(liào)的(dí)導電類型，載流子濃度，雜質(zhì)電(diàn)離能（包括深，淺能級(jí)雜(zá)質）， 禁(jīn)帶(dài)寬(kuān)度(dù)，遷移率(shuài)及雜(zá)質(zhì)補償(cháng)度等(děng)信息(xī)。