第1章 太阳电池材料实验
1.1 单晶硅电阻率的测量
1.实验目的
掌握四探针测试仪的使用。
掌握四探针法测量单晶硅电阻率的测试方法。
掌握单晶硅电阻率的数据评价方法。
2.实验原理
四探针测试仪主机由主机板、前面板、后背板及机箱组成。前面板上主要装有数字表、测试电流换挡开关、电阻率/方块电阻转换开关、校准/测量变换开关以及电流调节电位器；后背板上装有电源插座、电源开关、保险管及四探针连接插座。机箱底板上装有主机板。前、后面板与主机板之间的连接均采用接插件，便于拆卸维修。其实验原理图如图1.1所示，电阻率测试仪框图如图1.2所示，测量仪器前面板如图1.3所示，测量仪器后面板如图1.4所示。
图1.1 电阻率/方块电阻测试仪原理图
四探针测试仪的基本原理是恒流源给探针1、探针4提供稳定的测量电流I，由探针2、探针3测取被测样品上的电位差U。
图1.2 电阻率测试仪框图
图1.3 测量仪器前面板图
图1.4 测量仪器后面板图
当样块厚度大于4倍探针间距时，即可计算材料的电阻率为
式中 S——探针间距，cm;
U——电压的读数，mV；
I——电流的读数，mA；
Fsp——探针间距修正系数；
ρ——电阻率，Ω·cm。
式（1.1）较为经典，用于样品厚度和任一探针离样品边界的距离均大于4倍探针间距（近似半无穷大的边界条件），且无需进行厚度、直径修正的情况。此时如用S=1mm的探头，选择I=0.628A；如用S=1.59mm的探头，选择I=0.999A，这样就可以从本仪器的电压表上直接读出电阻率。
如选择I=2πS，只要处理好小数点的位置，数字电压表上显示的U=ρ。当Fsp=1.00时，如：S=1mm时，可选择I=62.8mA或I=6.28mA；S=1.59mm时，可选I=100.0mA或I=10.00mA。
样块厚度小于4倍探针间距的样片电阻率为
式中 U——电压的读数，mV；
I——电流的读数，mA；
W——被测样片的厚度值，cm；
F（W/S）——厚度修正系数，数值见表1.1;
F（S/D）——直径修正系数，数值见表1.2;
Fsp——探针间距修正系数；
Ft——温度修正系数，数值见表1.3。
表1.1 厚度修正系数F（W/S）计算表
注 厚度修正系数F（W/S）为圆片厚度W与探针间距S之比的函数。
表1.2 直径修正系数F（S/D）计算表
注 直径修正系数F（S/D）为探针间距S与圆片直径D之比的函数。
表1.3 温度修正系数表
注 温度修正系数表的数据来源于中国计量科学研究院。
为方便用户直接从数字表上读出硅片电阻率，可设定I=WF（W/S）F（S/D）,则ρ=UFspFt，这样就可预先计算出不同厚度样快的I，本仪器说明书附有硅片厚度直读电流选择表，只要按照样品厚度选择电流，即可从数字表上直接读出硅片电阻率。
3.实验设备
四探针测定仪、标准样片。
4.实验步骤
（1）面板各参数选择。仪器除电源开关在后面板外其他控制部分均安装在前面板上，前面板的左边集中了所有与电流测量有关的显示和控制部分，“电流表”显示各挡电流值，“电流选择”按钮供电流选用，220V交流电电源接通后仪器自动选择在常用的1.0mA挡，此时“1.0”上方的红色指示灯亮，随着选择开关的按动，指示灯在不同的挡位亮起，直至选到合适挡位为止。打开“恒流源”按钮，上方指示灯亮，电流表显示电流值，调节“粗调”旋钮使前三位数达到目标值，再调节“细调”旋钮使后两位数达到目标值，这样就完成了电流调节工作。面板的右边集中了所有与电压测量有关的控制部件，“电压表”显示各挡（电阻率/方阻手动/自动）的正向、反向电压测量值。“电阻率/方阻”键必须选择正确，否则测量值会相差10倍；同样“手动/自动”挡也必须选择正确，否则仪器将拒绝工作。
后面板上主要安装电缆插座，安装时请注意插头与插座的对位标志。因为在背后容易漏插，松动时不易被发现，所以安装必须插全、插牢。
（2）使用仪器前将电源线、测试架连接线、主机与微控制器的连接线连接好，并注意测试架上是否已接好探针头。电源线接入220V交流电后，开启后背板上的电源开关，此时前面板上的数字表、发光二极管都会亮起来。探针头压在被测单晶上，打开“恒流源”开关，“电流表”显示从探针1、探针4流入单晶的测量电流，“电压表”显示电阻率（测单晶锭时）或探针2与探针3间的电位差。电流大小通过旋转前面板左下方的“粗调”“细调”旋钮加以调节，其他“正测／反测”开关，“电阻率/方阻”选择，“自动/手动”测量都通过前面板上可自锁的按钮开关控制。
（3）仪器测量电流分五挡，即0.01mA（10μA）、0.1mA（100μA）、1mA、10mA、100mA，读数方法如下：“电流表”显示1.0000时为本挡满挡电流，在0.01mA挡显示1.0000，表示电流为0.01mA×1.0000=0.01mA；在0.01mA挡显示0.6282，表示电流为0.01mA×0.6282=0.006282mA。
（4）根据计算公式手动进行精确计算时，仪器“电压表”读数方法为：如“电压表”显示01000（忽略小数点），则电压读数为10.00mV，即当选择不同挡位进行测量时，不论小数点移动到哪里，读取电压值时小数点相当于固定在000.00处。
根据《硅、锗单晶电阻率测定直排四探针法》（GB/T 1552—1995），不同电阻率硅试样所需要的电流值见表1.4。
表1.4 不同电阻率硅试样所需电流值
根据《用单型程序直列式四点探针法测定硅外延层、扩散层、多晶硅层和离子注入层的薄膜电阻的标准试验方法》（ASTM F374—2002）测量方块电阻所需要的电流值见表1.5。
表1.5 标准方法测量方块电阻所需电流值
（5）“恒流源”开关是在发现探针带电压接触被测材料影响测量数据（或材料性能）时使用的，即先让探针头压触在被测材料上，然后开“恒流源”开关，避免接触瞬间打火。为了提高工作效率，如探针带电压接触单晶，并对材料及测量并无影响时，“恒流源”开关可一直处于开的状态。
（6）“正测／反测”开关只有在手动状态下才能人工操作，在自动状态下连接其他测量系统时使用，因此在手动状态下“正测／反测”开关不起作用时，先检查“手动/自动”开关是否处于“手动”状态。相反在使用数据处理器测量材料电阻率时，仪器必须处于“自动”状态，否则其他测量系统无法正常工作。
（7）在使用其他测量系统时，必须严格按照使用说明操作，应特别注意输入数据的单位。
5.注意事项
(1)在使用标准样品进行校准时，不能直接用手取出标准样品，必须戴手套取样品。
(2)测量电阻率时，必须针对同一样品不同位置多次测试电阻率，最终结果取平均值。
学院___________专业___________
班级___________姓名___________学号___________
单晶硅电阻率的测量实验报告
1.实验目的
2.实验原理
3.实验方法
4.实验结果
硅块、硅片测量数据
方块电阻测量数据
