第1章 太陽電池材料實驗

1.1 單晶硅電阻率的測量

1.實驗目的

掌握四探針測試儀的使用。

掌握四探針法測量單晶硅電阻率的測試方法。

掌握單晶硅電阻率的數(shù)據(jù)評價方法。

2.實驗原理

四探針測試儀主機由主機板、前面板、后背板及機箱組成。前面板上主要裝有數(shù)字表、測試電流換擋開關、電阻率/方塊電阻轉(zhuǎn)換開關、校準/測量變換開關以及電流調(diào)節(jié)電位器；后背板上裝有電源插座、電源開關、保險管及四探針連接插座。機箱底板上裝有主機板。前、后面板與主機板之間的連接均采用接插件，便于拆卸維修。其實驗原理圖如圖1.1所示，電阻率測試儀框圖如圖1.2所示，測量儀器前面板如圖1.3所示，測量儀器后面板如圖1.4所示。

四探針測試儀的基本原理是恒流源給探針1、探針4提供穩(wěn)定的測量電流I，由探針2、探針3測取被測樣品上的電位差U。

當樣塊厚度大于4倍探針間距時，即可計算材料的電阻率為

式中 S——探針間距，cm;

U——電壓的讀數(shù)，mV；

I——電流的讀數(shù)，mA；

F_sp——探針間距修正系數(shù)；

ρ——電阻率，Ω·cm。

式（1.1）較為經(jīng)典，用于樣品厚度和任一探針離樣品邊界的距離均大于4倍探針間距（近似半無窮大的邊界條件），且無需進行厚度、直徑修正的情況。此時如用S=1mm的探頭，選擇I=0.628A；如用S=1.59mm的探頭，選擇I=0.999A，這樣就可以從本儀器的電壓表上直接讀出電阻率。

如選擇I=2πS，只要處理好小數(shù)點的位置，數(shù)字電壓表上顯示的U=ρ。當F_sp=1.00時，如：S=1mm時，可選擇I=62.8mA或I=6.28mA；S=1.59mm時，可選I=100.0mA或I=10.00mA。

樣塊厚度小于4倍探針間距的樣片電阻率為

式中 U——電壓的讀數(shù)，mV；

I——電流的讀數(shù)，mA；

W——被測樣片的厚度值，cm；

F_（W/S）——厚度修正系數(shù)，數(shù)值見表1.1;

F_（S/D）——直徑修正系數(shù)，數(shù)值見表1.2;

F_sp——探針間距修正系數(shù)；

F_t——溫度修正系數(shù)，數(shù)值見表1.3。

為方便用戶直接從數(shù)字表上讀出硅片電阻率，可設定I=WF_（W/S）F_（S/D）,則ρ=UF_spF_t，這樣就可預先計算出不同厚度樣快的I，本儀器說明書附有硅片厚度直讀電流選擇表，只要按照樣品厚度選擇電流，即可從數(shù)字表上直接讀出硅片電阻率。

3.實驗設備

四探針測定儀、標準樣片。

4.實驗步驟

（1）面板各參數(shù)選擇。儀器除電源開關在后面板外其他控制部分均安裝在前面板上，前面板的左邊集中了所有與電流測量有關的顯示和控制部分，“電流表”顯示各擋電流值，“電流選擇”按鈕供電流選用，220V交流電電源接通后儀器自動選擇在常用的1.0mA擋，此時“1.0”上方的紅色指示燈亮，隨著選擇開關的按動，指示燈在不同的擋位亮起，直至選到合適擋位為止。打開“恒流源”按鈕，上方指示燈亮，電流表顯示電流值，調(diào)節(jié)“粗調(diào)”旋鈕使前三位數(shù)達到目標值，再調(diào)節(jié)“細調(diào)”旋鈕使后兩位數(shù)達到目標值，這樣就完成了電流調(diào)節(jié)工作。面板的右邊集中了所有與電壓測量有關的控制部件，“電壓表”顯示各擋（電阻率/方阻手動/自動）的正向、反向電壓測量值。“電阻率/方阻”鍵必須選擇正確，否則測量值會相差10倍；同樣“手動/自動”擋也必須選擇正確，否則儀器將拒絕工作。

后面板上主要安裝電纜插座，安裝時請注意插頭與插座的對位標志。因為在背后容易漏插，松動時不易被發(fā)現(xiàn)，所以安裝必須插全、插牢。

（2）使用儀器前將電源線、測試架連接線、主機與微控制器的連接線連接好，并注意測試架上是否已接好探針頭。電源線接入220V交流電后，開啟后背板上的電源開關，此時前面板上的數(shù)字表、發(fā)光二極管都會亮起來。探針頭壓在被測單晶上，打開“恒流源”開關，“電流表”顯示從探針1、探針4流入單晶的測量電流，“電壓表”顯示電阻率（測單晶錠時）或探針2與探針3間的電位差。電流大小通過旋轉(zhuǎn)前面板左下方的“粗調(diào)”“細調(diào)”旋鈕加以調(diào)節(jié)，其他“正測／反測”開關，“電阻率/方阻”選擇，“自動/手動”測量都通過前面板上可自鎖的按鈕開關控制。

（3）儀器測量電流分五擋，即0.01mA（10μA）、0.1mA（100μA）、1mA、10mA、100mA，讀數(shù)方法如下：“電流表”顯示1.0000時為本擋滿擋電流，在0.01mA擋顯示1.0000，表示電流為0.01mA×1.0000=0.01mA；在0.01mA擋顯示0.6282，表示電流為0.01mA×0.6282=0.006282mA。

（4）根據(jù)計算公式手動進行精確計算時，儀器“電壓表”讀數(shù)方法為：如“電壓表”顯示01000（忽略小數(shù)點），則電壓讀數(shù)為10.00mV，即當選擇不同擋位進行測量時，不論小數(shù)點移動到哪里，讀取電壓值時小數(shù)點相當于固定在000.00處。

根據(jù)《硅、鍺單晶電阻率測定直排四探針法》（GB/T 1552—1995），不同電阻率硅試樣所需要的電流值見表1.4。

根據(jù)《用單型程序直列式四點探針法測定硅外延層、擴散層、多晶硅層和離子注入層的薄膜電阻的標準試驗方法》（ASTM F374—2002）測量方塊電阻所需要的電流值見表1.5。

（5）“恒流源”開關是在發(fā)現(xiàn)探針帶電壓接觸被測材料影響測量數(shù)據(jù)（或材料性能）時使用的，即先讓探針頭壓觸在被測材料上，然后開“恒流源”開關，避免接觸瞬間打火。為了提高工作效率，如探針帶電壓接觸單晶，并對材料及測量并無影響時，“恒流源”開關可一直處于開的狀態(tài)。

（6）“正測／反測”開關只有在手動狀態(tài)下才能人工操作，在自動狀態(tài)下連接其他測量系統(tǒng)時使用，因此在手動狀態(tài)下“正測／反測”開關不起作用時，先檢查“手動/自動”開關是否處于“手動”狀態(tài)。相反在使用數(shù)據(jù)處理器測量材料電阻率時，儀器必須處于“自動”狀態(tài)，否則其他測量系統(tǒng)無法正常工作。

（7）在使用其他測量系統(tǒng)時，必須嚴格按照使用說明操作，應特別注意輸入數(shù)據(jù)的單位。

5.注意事項

(1)在使用標準樣品進行校準時，不能直接用手取出標準樣品，必須戴手套取樣品。

(2)測量電阻率時，必須針對同一樣品不同位置多次測試電阻率，最終結果取平均值。

學院___________專業(yè)___________

班級___________姓名___________學號___________

單晶硅電阻率的測量實驗報告

1.實驗目的

2.實驗原理

3.實驗方法

4.實驗結果