四探针薄层电阻测试仪的电路原理

李斌

摘 要：四探针薄层电阻测试仪具有量程选择方便、恒流源电流可调及数据读出迅速、稳定的特点。因此，本文结合半导体制程中扩散层薄层电阻测量的实际需要，介绍了四探针薄层电阻测试仪的测试原理和电路原理，以期为相关学者的研究提供参考。

关键词：薄层电阻；扩散层；PN结

中图分类号：TN407 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）14-0045-03

Circuit principles of Four probe sheet resistance tester for

Semiconductor diffusion layer

LI Bin

（Guangzhou Semiconductor Materials Research Institute ，Guangzhou Guangdong 510610）

Abstract： The four probe thin layer resistance tester has the characteristics of convenient range selection， adjustable current source current and fast and stable data reading. Therefore， this paper introduced the testing principle and circuit principle of the four probe thin layer resistance tester with the practical needs of the thin layer resistance measurement of the diffusion layer in the semiconductor process， in order to provide reference for the research of the related scholars.

Keywords： sheet resistance；diffusion layer；PN junction

结型半导体器件和太阳能电池片的生产过程中，大多使用扩散法来制备PN结。在产品的制作过程中，扩散掺杂是最重要的工艺。掺杂质量好坏及均匀性影响产品的良品率。该工艺的监测主要通过扩散层薄层电阻测量来体现。采用四探针法测量扩散层的薄层电阻，不但可以求得扩散层单位面积的杂质总量，如果再结合结深的测量，还可以估算出表面的杂质浓度，从而实现对工艺过程的精确控制。

广州半导体材料研究所生产的四探针薄层电阻测试仪，较好地满足了国内半导体器件制造商和光伏行业在生产方面的需要。由于四探针薄层电阻测试仪使用频率极高，用户有必要了解其电路原理，以便于日常工作中的使用和维护。

1 四探针薄层电阻测试仪的测试原理

排列成一直线的四根探针垂直压在近似为半无穷大的平坦试样表面，将直流电流I在两外侧探针间通入试样，测量内侧两探针间所产生的电势差V。根据测得的电流和电势差值，按式（1）计算电阻率[1]。测量示意图见图1。

注：1和4为电流探针；2和3为电压探针；S为探针间距。

[ρ=F2D/S×W×FW/S×FSP×VI] （1）

式中，[ρ]表示电阻率，Ω·㎝；[V]表示测得电势差，mV；I表示通入的电流，mA；[S]表示探针平均间距，cm；[W]表示硅圆片厚度，cm；D表示硅圆片直径，cm；FSP表示探针间距修正因子；[F2D/S]表示硅圓片直径修正因子；[FW/S]表示硅圆片厚度修正因子。

则由（1）式可得：

[R□=ρw=F2D/S×FW/S×FSP×VI] （2）

式（2）中，[R□]就是薄层电阻，单位是Ω/□；

而扩散层的厚度一般在几十微米以下，此时[FW/S=1]，因此有：

[R□=F2D/S×FSP×VI] （3）

从式（3）可知，对于直径已知的硅圆片，只要调整电流[I=F2D/S×FSP×10n]（n为正整数或负整数）即可由模数转换器指示的电势差直接读出硅圆片扩散层薄层电阻。

2 主要电路原理

2.1 测试仪量程选择电路

测试仪量程选择电路见图2。

测试仪电流有0.1、1、10mA和100mA共4个量程，分别对应K1、K2、K3和K4选择按钮。实际操作中，根据所测样品薄层电阻大小选择相应的电流量程进行测试。其中，CD4028是BCD-十进制或二进制-八进制译码器，其由4个缓冲输入端口、译码逻辑门和10个缓冲器组成。加至4个输入端口A0-A3的某一个BCD码在十进制译码器译码后在对应的输出口输出为高电平，从而通过三极管9013令继电器得电导通。量程选择电路使用了其中4个输出端口，满足转换的需要。继电器J5、J6、J7、J8分别控制0.1、1、10mA和100mA4个量程的电流接通和切断。

2.2 测试仪功能转换电路

测试仪功能转换电路见图3。

CD4013是双D型触发器，电路利用触发器的记忆功能，维持电路的翻转状态不变。K5是测量/电流方式转换按键。利用电容C10的“短路”作用，防止开机时电路产生错误动作，自动设置在“I”（电流）位。此时，数据读出电路显示为电流值，按一下K5则切换到“[R□]”位，显示薄层电阻的大小。K6是电流换向按键，主要用于将测量电流换向，这样电流正反向各取一次测量值，2次测量值相加取平均值作为薄层电阻的准确值，这可以降低探针跟样品接触时因接触电阻不确定造成的影响。

2.3 测试仪恒流源电路

测试仪恒流源电路见图4。

根据扩散片实际薄层电阻大小将恒流源量程分为4挡，即0.1、1、10mA和100mA。利用运放LM741来保持电流的恒定。量程间换挡采用继电器实现。R10、R9、R8、R7分别是0.1、1、10mA和100mA挡量程电阻，R6、R5、R4、R3是量程取样电阻，其上压降经数据读出电路显示为对应的电流值。基准电压源LM336用来保证经电位器VR1、VR2分压后加到LM741引脚3电压的稳定性，降低温度漂移。用三极管9012、2N6036来实现大电流挡的扩流。电容C1、C2、分别对运放及晶体管进行频率补偿防止自激，确保恒流。

2.4 测试仪数据读出电路

测试仪数据读出电路见图5。

测试仪主要用来显示电流及薄层电阻大小。根据精度的需要，数据读出采用INTERSIL公司生产的高准确度的41/2位A/D转换器ICL7135。其主要特点是自动校正零点，保证在零伏输入时读数为零。输入阻抗高于109Ω，输入漏电流仅1PA（典型值），允许差分输入[2]。

ICL7135满量程为2.000V，而本测试仪是按满刻度200.00mV设计的，所以测量信号需放大10倍才可输入ICL7135，当R5=9k，R3=1k时，放大倍数A=R5/R3+1=10满足电路要求。斩波放大器ICL7650组成同相放大器，具有高准确度、低漂移和自动校零的优点，可满足精密测量的需要。电容C5、C6为记忆电容，用来消除ICL7650的失调电压。R6、C1组成输入端高频滤波器。电路利用ICM555构成多谐振荡器，产生的方波作为ICL7135时钟基准。ICM555时基电路定时精度高，工作速度和可靠性高；使用的电源电压范圍宽，为2～18V，能和其他数字集成电路直接连接[3]。电路中电容C9和电阻R9、R10是振荡器的定时元件，决定输出方波的频率。为了克服工频干扰，方波的频率必须为50Hz的倍数，当R9=4.7k，R10=15k，C9=300PF时，钟频率为f=120kHz，此时测量速度3次/s，既克服工频干扰，又可满足实际测量需要。

3 结语

四探针薄层电阻测试仪目前已在国内的晶体管厂、电力电子厂和光伏企业中被广泛应用，提高了扩散层薄层电阻测量的精度，使产品的质量得到保证，同时获得了用户的好评。

参考文献：

[1]关自强.四探针电动测试仪设计原理及维修[J].南方金属，2003（1）：55-57.

[2]沙占友，王彦朋，杜之涛.便携式数字万用表原理与维修[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3]孙余凯，项绮明，吴鸣山.巧学巧用数字集成电路实用技术[M].北京：电子工业出版社，2010.