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北京恒奥德科技有限公司 010-51666869 传 真：010-69807135 13120411557 18701256112 联系人：李红慧 1575574360 1321298635 1445496132 号院16号楼317 （北京市地质工程勘察院院内）
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技术文章
便携式四探针电阻率测试仪 GSZ-RTS-2/GSZ-RTS-2A 使用说明书
一. 概 述
数字式四探针测试仪是运用四探针测量原理的多用途综合测量设备。该仪器按照单晶硅物理测试方法国家标准并参考美国 A.S.T.M 标准而设计的，专用于测试半导体材料电阻率及方块电阻(薄层电阻)的专用仪器。
仪器采用了最新电子技术进行设计、装配。具有功能选择直观、测量取数快、精度高、测量范围宽、稳定性好、结构紧凑、易操作等特点。
本仪器适用于半导体材料厂、半导体器件厂、科研单位、高等院校对半导体材料的电阻性能测试。
二. 技 术 指 标
2.1 测量范围
电阻率：0.01～1999.9Ω.cm(可扩展)；
方块电阻：0.1～19999/□(可扩展)；
电阻：0.01～1999.9Ω.cm；
2.2 恒流源
电流量程分为 100μA、1mA二档，二档电流连续可调；
2.3 数字电压表
量程及表示形式：000.00～199.99mV；
分辨力：10μV；
输入阻抗：＞1000MΩ；
精度：±0.1%；
显示：四位半红色发光管数字显示；极性、超量程自动显示；
2.4 四探针探头基本指标
间距：1±0.01mm；
针间绝缘电阻: ≥1000MΩ；
机械游移率: ≤0.3％；
探针：碳化钨或高速钢材质，探针直径Ф0.5mm；
探针压力：5～16 牛顿(总力)；
2.5 四探针探头应用参数
见探头附带的合格证，合格证含三参数项：
C：探针系数； F：探针间距修正因子； S：探针平均间距；
2.6 模拟电阻测量相对误差（按 JJG508-87 进行）
1Ω、10Ω、100Ω≤0.3％±１字；
2.7 整机测量最大相对误差
(用硅标样片:0.01-180Ω.cm 测试)≤±5％；
2.8 整机测量标准不确定度
≤5％；
2.9 外型尺寸（大约）
电气主机: 125mm(宽)×145mm(高)×245mm；(深)
2.10 仪器重量（大约）
电气主机: 1.5kg；
2.11 标准使用环境
温度:：23±2℃； 相对湿度：≤65％； 无高频干扰； 无强光直射；
三．测 量 原 理
将四根排成一条直线的探针以一定的压力垂直地压在被测样品表面上，在 1、4 探针间通以电流 I(mA)，2、3 探针间就产生一定的电压 V(mV)(如图1)。测量此电压并根据测量方式和样品的尺寸不同，可分别按以下公式计算样品的电阻率、方块电阻、电阻：
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图１.直线四探针法测试原理图 |
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V |
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1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
↑ |
|
↓ |
①. 薄圆片(厚度≤4mm)电阻率：
F（D/S）╳ F（W/S）╳ W ╳ Fsp Ω·cm …(1)
其中：D—样品直径，单位：cm或mm，注意与探针间距S单位一致；
S—平均探针间距，单位：cm或mm，注意与样品直径D单位一致(四探针头合格证上的S值)；
W—样品厚度，单位：cm，在F(W/S)中注意与S单位一致；
Fsp—探针间距修正系数(四探针头合格证上的F值)；
F(D/S)—样品直径修正因子。当D→∞时，F(D/S)=4.532，有限直径下的F(D/S)由附表A查出：
F(W/S)—样品厚度修正因子。W/S<0.4时，F(W/S)=1；W/S>0.4时，F(W/S)值由附表B查出；
I—1、4探针流过的电流值，选值可参考表5.2(第6页表5.2)；
V—2、3探针间取出的电压值，单位mV；
②. 薄层方块电阻Ｒ□：
Ｒ□＝ F（D/S）╳F（W/S）╳ Fsp Ω/□ …(2)
其中：D—样品直径，单位：cm或mm，注意与探针间距S单位一致；
S—平均探针间距，单位：cm或mm，注意与样品直径D单位一致(四探针头合格证上的S值)；
W—样品厚度，单位：cm，在F(W/S)中注意与S单位一致；
Fsp—探针间距修正系数(四探针头合格证上的F值)；
F(D/S)—样品直径修正因子。当D→∞时，F(D/S)=4.532，有限直径下的F(D/S)
由附表A查出：
F(W/S)—样品厚度修正因子。W/S<0.4时，F(W/S)=1；W/S>0.4时，F(W/S)值由附表B查出；
I—1、4探针流过的电流值，选值可参考表5.1(第6页表5.1)；
V—2、3探针间取出的电压值，单位mV；
①双面扩散层方块电阻Ｒ□
可按无穷大直径处理，此时F(D/S)=4.532，由于扩散层厚度W远远小于探针间距，故F(W/S)=1，此时
Ｒ□=4.532 Fsp
②单面扩散层、离子注入层、反型外延层方块电阻
此时F(D/S)值应根据D/S值从附表A中查出。另外由于扩散层、注入层厚度W远远小于探针间距，故F(W/S)=1，此时有
Ｒ□＝ F（D/S） Fsp
③. 棒材或厚度大于 4mm 的厚片电阻率ρ：
当探头的任一探针到样品边缘的最近距离不小于 4S 时，测量区的电阻率为：
Ω·cm …(3)
其中：C＝2πS为探针系数，单位：cm (四探针头合格证上的C值)；
S 的取值来源于:1/S=（1/S1 +1/S3 –1/(S1+S3) –1/(S2+S3)），S1为(1-2)针、S2为(2-3)针、
S3 为(3-4)针的间距，单位：cm；
I—1、4探针流过的电流值，单位mA,选值可参考表5.2(第6页表5.2)；
V—2、3探针间取出的电压值，单位mV；
④. 电阻的测量：
应用恒流测试法，电流由样品两端流入同时测量样品两端压降。样品的电阻为：
Ω …(3)
其中：I—样品两端流过的电流值，单位mA,选值可参考表5.2(第6页表5.2)；
V—样品两端取出的电压值，单位mV；
仪器电气原理如下图所示
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220V
电源
滤波
(一) |
|
滤波
稳压(二) |
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恒流 |
|
电流选档换向控制 |
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样品测试 |
|
A/D
转换 |
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显示 |
四．仪 器 面 板 说 明
1.主机前面板
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项目 |
说明 |
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L |
显示测试值的数据显示屏，在不同的测试状态下分别用来显示样品的测试电流值、方块电阻测量值、电阻率测量值。 |
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U |
测试值的单位指示灯。 |
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K1 |
测量电流量程选择按键，共2个量程档,当按下按钮后在“1mA”和“100μA “量程档间切换，同时选择的量程档上方的指示灯会亮。 |
|
K2 |
“R□ /ρ”测量选择按键，即是测量样品的方块电阻还是电阻率的选择按键，开机时自动设置在“Ｒ□ ”位。按下此按键会在这两种测量状态下切换，按键上方的相应的指示灯会亮表示现处的测量类别。 |
|
K3 |
“电流/测量“方式选择按键，开机时自动设置在“I”位；按下此按键会在这两种模式下切换，按键上方的相应的指示灯会亮表示现处的状态。即当处在“I”时表示数据显示屏显示的是样品测量电流值，用户可根据测量样品调节量程按键或电位器获得适合样品测量的电流。当在“ρ/ R□”时表示现处于测量模式下，数据显示屏显示的是方块电阻或电阻率的测量值。 |
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K4 |
电流换向按键，按键上方“I+“的灯亮时表示正向。”I-“灭时表示反向。 |
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W1,W2 |
W1 －电流粗调电位器；W2 －电流细调电位器。 |
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K |
主机电源开关 |
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P |
主机连接四探针头的端口 |
五. 使 用 方 法
首先按后面板说明用连接电缆将四探针探头与主机连接好，接上电源，再按以下步骤进行操作：
1. 开启主机电源开关，此时“R□”和“I”指示灯亮。预热约10分钟；
2. 估计所测样品方块电阻或电阻率范围:
按表5.1和表5.2选择适合的电流量程对样品进行测量，按下 K1键选择量程；(如无法估计样品方块电阻或电阻率的范围，则可先以“100μA”量程进行测量，再以该测量值作为估计值按表5.1和表5.2选择电流量程得到精确的测量结果）
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| ||||||||||||||||
|
表 5.1 |
表 5.2 | ||||||||||||||||
3. 确定样品测试电流值:
推荐按以下方法，根据不同的样品测试类别计算出样品的测试电流值，然后调节主机W1、W2电位器使测试电流为此电流值，即可方便得到需要测试样品的精确测试结果。
①. 测试薄圆片（厚度≤4mm）的电阻率：
按以下公式:(详细说明见“测量原理简介”)
ρ＝ V/I ╳ F（D/S）╳F（W/S）╳W ╳Fsp ╳10n （Ω·cm）
选取测试电流I：I= F（D/S）╳ F（W/S）╳ W ╳ Fsp╳10n。(式中各参数按“测量原理简介”中的定义可分别得出，n是整数与量程档有关)然后按此公式计算出测试电流数值。
§ 在仪器上调整电位器“W1”和“W2”，使测试电流显示值为计算出来测试电流数值。
§ 按以上方法调整电流后,按“K3”键选择“R□ /ρ”, 按“K2”键选择“ρ”,仪器则直接显示测量结果(Ω·cm)。然后按“K4”键进行正反向测量，正反向测量值的平均值即为此点的实际值。
例1：测厚度为0.63mm、直径为76mm的硅片，巳知F=1.01，由于探针平均间距S=1mm，故D/S=76，从附表A中查得F(D/S)=4.526，附表B中查得F(W/S)=0.9894，故
I=4.526×0.9894×0.63×1.01×10n=2.849×10n，显示器显示电流数为2849;
例2：测厚度为0.32mm、直径为76mm的硅片，巳知F=1.003，由于探针平均间距S=1mm，故D/S=76，从附表A中查得F(D/S)=4.526，附表B中查得F(W/S)=1，故
I=4.526×0.32×1.003×10n=1.453×10n，显示器显示电流数为1453;
例3：测厚度为0.22mm、直径为100mm的硅片，巳知F=1.01，由于探针平均间距S=1mm，故D/S=100，从附表A中查得F(D/S)=4.528，附表B中查得F(W/S)=1，故
I=4.528×0.22×1.01×10n=0.996×10n，显示器显示电流数为996;
②. 测试薄层方块电阻R□：
按以下公式:(详细说明见“测量原理简介”)
Ｒ□＝ V/I ╳ F（D/S）╳ F（W/S） ╳ Fsp ╳ 10n （Ω/□）
选取测试电流I：I= F（D/S）╳ F（W/S）╳ Fsp╳10 n。（式中各参数按“测量原理简介”中的定义可分别得出，n是整数与量程档有关）然后计算出测试电流值。
§ 在仪器上调整电位器“W1”和“W2”，使测试电流显示值为计算出来测试电流数值。
§ 按以上方法调整电流后,按“K3”键选择“R□ /ρ”, 按“K2”键选择“R□”,仪器则直接显示测量结果(Ω/□)。然后按“K4”键进行正反向测量，正反向测量值的平均值即为此点的实际值。
例1：测单面扩散层的硅片方块电阻。巳知D=100mm，F=1.001，从附表A中查得F(D/S)=4.528，故
I=4.528×1.001×10n=4.533×10n，显示器显示电流数为4533;
例2：测双面扩散层的硅片方块电阻。巳知F=1.001，从附表A中查得F(D/S)=4.532，F(W/S)=1，故
I=4.532×1.001×10n=4.536×10n，显示器显示电流数为4536;
例3：测离子注入层的硅片方块电阻。已知D=76mm，F=1.01从附表A中查得F(D/S)=4.526，故
I=4.526×1.01×10n=4.571×10n，显示器显示电流数为4571。
③. 测试棒材或厚度大于 4mm 的厚片电阻率ρ：
按以下公式:(详细说明见“测量原理简介”)
ρ＝ V/I ╳ C ╳ 10n （Ω·cm）
选取测试电流I：I= C ╳ 10n。(式中参数C的说明见“测量原理简介” ，n是整数与量程档有关)然后得出测试电流值。
§ 在仪器上调整电位器“W1”和“W2”，使测试电流显示值为计算出来测试电流数值。
§ 按以上方法调整电流后,按“K3”键选择“R□ /ρ”, 按“K2”键选择“ρ”,仪器则直接显示测量结果(Ω·cm)。然后按“K4”键进行正反向测量，正反向测量值的平均值即为此点的实际值。
例1：巳知某一四探针头C=6.278，故
I=6.278×10n，显示器显示电流数为6278。
④. 测试电阻R：
按以下公式:(详细说明见“测量原理简介”)
R＝ V/I ╳ 10n （Ω）
选取测试电流I：I= 1 ╳ 10n。显示器显示电流数为10000。
§ 在仪器上调整电位器“W1”和“W2”，使测试电流显示值为计算出来测试电流数值。
§ 按以上方法调整电流后,按“K3”键选择“R□ /ρ”, 按“K2”键选择“ρ”,仪器则直接显示测量结果(Ω·cm)。然后按“K4”键进行正反向测量，正反向测量值的平均值即为此点的实际值。
附表A：直径修正系数F(D/S)与D/S值的关系
|
D/S值 |
中心点 |
半径中点 |
距边缘6mm处 | ||
|
>200 |
4.532 |
|
| ||
|
200 |
4.531 |
4.531 |
4.462 | ||
|
150 |
4.531 |
4.529 |
4.461 | ||
|
125 |
4.530 |
4.528 |
4.460 | ||
|
100 |
4.528 |
4.525 |
4.458 | ||
|
76 |
4.526 |
4.520 |
4.455 | ||
|
60 |
4.521 |
4.513 |
4.451 | ||
|
51 |
4.517 |
4.505 |
4.447 | ||
|
38 |
4.505 |
4.485 |
4.439 | ||
|
26 |
4.470 |
4.424 |
4.418 | ||
|
25 |
4.470 |
|
| ||
|
22.22 |
4.454 |
|
| ||
|
20.00 |
4.436 |
|
| ||
|
18.18 |
4.417 |
|
| ||
|
16.67 |
4.395 |
|
| ||
|
15.38 |
4.372 |
|
| ||
|
14.28 |
4.348 |
|
| ||
|
13.33 |
4.322 |
|
| ||
|
12.50 |
4.294 |
|
| ||
|
11.76 |
4.265 |
|
| ||
|
11.11 |
4.235 |
|
| ||
|
10.52 |
4.204 |
|
| ||
|
10.00 |
4.171 |
|
|
附表B：厚度修正系数F(W/S)与W/S值的关系
|
W/S值 |
F（W/S） |
W/S值 |
F（W/S） |
W/S值 |
F（W/S） |
W/S值 |
F（W/S） |
|
<0.400 |
1.0000 |
0.530 |
0.9962 |
0.665 |
0.9858 |
0.800 |
0.9663 |
|
0.400 |
0.9997 |
0.535 |
0.9960 |
0.670 |
0.9853 |
0.805 |
0.9654 |
|
0.405 |
0.9996 |
0.540 |
0.9957 |
0.675 |
0.9847 |
0.810 |
0.9644 |
|
0.410 |
0.9996 |
0.545 |
0.9955 |
0.680 |
0.9841 |
0.815 |
0.9635 |
|
0.415 |
0.9995 |
0.550 |
0,9952 |
0.685 |
0.9835 |
0.820 |
0.9626 |
|
0.420 |
0.9994 |
0.555 |
0.9949 |
0.690 |
0.9829 |
0.825 |
0.9616 |
|
0.425 |
0.9993 |
0.560 |
0.9946 |
0.695 |
0.9823 |
0.830 |
0.9607 |
|
0.430 |
0.9993 |
0.565 |
0.9943 |
0.700 |
0.9817 |
0.835 |
0.9597 |
|
0.435 |
0.9992 |
0.570 |
0.9940 |
0.705 |
0.9810 |
0.840 |
0.9587 |
|
0.440 |
0.9991 |
0.575 |
0.9937 |
0.710 |
0.9804 |
0.845 |
0.9577 |
|
0.445 |
0.9990 |
0.580 |
0.9934 |
0.715 |
0.9797 |
0.850 |
0.9567 |
|
0.450 |
0.9989 |
0.585 |
0.9930 |
0.720 |
0.9790 |
0.855 |
0.9557 |
|
0.455 |
0.9988 |
0.590 |
0.9927 |
0.725 |
0.9783 |
0.860 |
0.9546 |
|
0.460 |
0.9987 |
0.595 |
0.9923 |
0.730 |
0.9776 |
0.865 |
0.9536 |
|
0.465 |
0.9985 |
0.600 |
0.9919 |
0.735 |
0.9769 |
0.870 |
0.9525 |
|
0.470 |
0.9984 |
0.605 |
0.9915 |
0.740 |
0.9761 |
0.875 |
0.9514 |
|
0.475 |
0.9983 |
0.610 |
0.9911 |
0.745 |
0.9754 |
0.880 |
0.9504 |
|
0.480 |
0.9981 |
0.615 |
0.9907 |
0.750 |
0.9746 |
0.885 |
0.9493 |
|
0.485 |
0.9980 |
0.620 |
0.9903 |
0.755 |
0.9738 |
0.890 |
0.9482 |
|
0.490 |
0.9978 |
0.625 |
0.9898 |
0.760 |
0.9731 |
0.895 |
0.9471 |
|
0.495 |
0.9976 |
0.630 |
0.9894 |
0.765 |
0.9723 |
0.900 |
0.9459 |
|
0.500 |
0.9975 |
0.635 |
0.9889 |
0.770 |
0.9714 |
0.905 |
0.9448 |
|
0.505 |
0.9973 |
0.640 |
0.9884 |
0.775 |
0.9706 |
0.910 |
0.9437 |
|
0.510 |
0.9971 |
0.645 |
0.9879 |
0.780 |
0.9698 |
0.915 |
0.9425 |
|
0.515 |
0.9969 |
0.650 |
0.9874 |
0.785 |
0.9689 |
0.920 |
0.9413 |
|
0.520 |
0.9967 |
0.655 |
0.9869 |
0.790 |
0.9680 |
0.925 |
0.9402 |
|
0.525 |
0.9965 |
0.660 |
0.9864 |
0.795 |
0.9672 |
0.930 |
0.9390 |
|
W/S值 |
F（W/S） |
W/S值 |
F（W/S） |
W/S值 |
F（W/S） |
W/S值 |
F（W/S） |
|
0.935 |
0.9378 |
1.10 |
0.8939 |
1.85 |
0.6718 |
2.60 |
0.5098 |
|
0.940 |
0.9366 |
1.15 |
0.8793 |
1.90 |
0.6588 |
2.65 |
0.5013 |
|
0.945 |
0.9354 |
1.20 |
0.8643 |
1.95 |
0.6460 |
2.70 |
0.4931 |
|
0.950 |
0.9342 |
1.25 |
0.8491 |
2.00 |
0.6337 |
2.75 |
0.4851 |
|
0.955 |
0.9329 |
1.30 |
0.8336 |
2.05 |
0.6216 |
2.80 |
0.4773 |
|
0.960 |
0.9317 |
1.35 |
0.8181 |
2.10 |
0.6099 |
2.85 |
0.4698 |
|
0.965 |
0.9304 |
1.40 |
0.8026 |
2.15 |
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