摘 要：為了便于測量半導(dǎo)體薄膜在變溫下的電阻率，滿足本科生《半導(dǎo)體材料》課程的教學(xué)要求，利用現(xiàn)有一臺室溫四探針測試儀和一臺恒溫加熱臺，開發(fā)了一臺變溫四探針電阻率測量儀，測量溫度范圍從室溫到300oC。通過磁控濺射法制備了熱致相變材料二氧化釩薄膜，利用自組裝的變溫四探針測試儀測量了該薄膜在不同溫度下的電阻率，得到了相變轉(zhuǎn)變溫度。教學(xué)實(shí)踐表明：該變溫四探針能夠很好的滿足關(guān)于半導(dǎo)體材料電阻率與溫度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)測量的教學(xué)大綱要求，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：四探針 電阻率 變溫測量 教學(xué)效果

中圖分類號：TH162.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2011）01（c）-0122-02

半導(dǎo)體材料已成為微電子學(xué)、光電子學(xué)、磁電子學(xué)、傳感器、太陽能利用等新興學(xué)科的材料基礎(chǔ)?！栋雽?dǎo)體材料》課程比較全面的介紹了半導(dǎo)體材料的基本概念、以及制備方法。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握半導(dǎo)體材料的基本概念，以及各種制備方法，擴(kuò)大學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程技術(shù)問題的能力，為以后的科研工作打好基礎(chǔ)。

電學(xué)性能是半導(dǎo)體材料區(qū)別金屬材料和絕緣體材料的主要特征，因而測量半導(dǎo)體材料的電學(xué)性能是必備的表征手段。原先的《半導(dǎo)體材料》課程教學(xué)大綱中，沒有涉及半導(dǎo)體材料電阻率測量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。新修訂《半導(dǎo)體材料》課程教學(xué)大綱中，半導(dǎo)體材料電阻率與溫度關(guān)系測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)是主要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

四探針測量儀具有測試原理簡單、測試精度高、簡單快捷的優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中應(yīng)用最為廣泛的工藝監(jiān)控手段之一。半導(dǎo)體材料的電學(xué)性能與溫度密切相關(guān)，一般來說，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力隨溫度升高而迅速增加，即半導(dǎo)體的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)。而某些熱致相變材料在轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度時(shí)電阻率會發(fā)生急劇變化，比如二氧化釩在68℃附近發(fā)生半導(dǎo)體與金屬結(jié)構(gòu)相變[1，2]。

本論文的目的在于利用現(xiàn)有的室溫四探針測試儀和恒溫加熱臺，開發(fā)一臺變溫四探針測試儀，開展半導(dǎo)體材料電阻率與溫度關(guān)系的測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過磁控濺射法制備二氧化釩薄膜，開展電阻率與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)踐表明：該變溫四探針能夠很好的滿足關(guān)于半導(dǎo)體材料電阻率與溫度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)測量的教學(xué)大綱要求，取得了良好的教學(xué)效果。

1 變溫四探針測試儀的開發(fā)

1.1 室溫四探針測試儀

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的室溫四探針測試儀，型號為KDY-1四探針測量儀，屬于直線型測試方法。四點(diǎn)探針的原理見圖1所示，四個(gè)探針（1，2，3，4）等距（間距為S）排成一條直線，給探針施加一定的壓力，使其垂直的壓在一塊樣品的表面。外側(cè)的兩個(gè)探針（1，4）之間施加精密恒流電流I，中間的兩個(gè)探針（2，3）之間接高精度數(shù)字電壓表U。

如果樣品的尺寸與探針間距大小相比都可視為無限大，探針1與樣品表面接觸可以看成是點(diǎn)電源，根據(jù)拉普拉斯方程，可以得到距離探針1（點(diǎn)電源）r處的電勢為

（1）

探針2處的電勢差應(yīng)為探針1和探針4兩個(gè)極性相反電流源的共同作用：

（2）

探針3處的電勢差同樣應(yīng)為探針1和探針4兩個(gè)極性相反電流源的共同作用：

（3）

所以，探針2和探針3兩點(diǎn)間的電勢差為：

（4）

由于直線型四探針間距相等，都為S，代入（4）中，因而

（5）

因而知道電流I1，4、電壓V2，3、探針間距S，就可以計(jì)算出半導(dǎo)體薄膜的電阻率[3，4]。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)有的恒溫加熱臺型號為AZY1010，加熱功率1000W，平臺尺寸10cm*10cm，溫度范圍：室溫-300oC，溫度精度為1oC。

1.2 變溫四探針測量儀

為了實(shí)現(xiàn)變溫測量，需將樣品放在恒溫加熱臺上進(jìn)行加熱和控溫。由于現(xiàn)有四探針探頭和測量底座的最大高度只有10cm，而恒溫工作臺的整體高度達(dá)到20cm，超過了探頭導(dǎo)軌的最大高度。因而重新加工了一個(gè)30cm高的導(dǎo)軌，這樣恒溫加熱工作臺就可以整體放入探頭的正下方，樣品放在恒溫加熱臺，實(shí)現(xiàn)變溫測量。

為了開展半導(dǎo)體材料電阻率與溫度關(guān)系的測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本文利用磁控濺射法制備了二氧化釩薄膜，并測量二氧化釩薄膜電阻率與溫度的變化關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

2.1 二氧化釩薄膜的制備

本文采用MSIB-6000型磁控濺射設(shè)備制備二氧化釩薄膜，襯底為石英片，靶材選用高純二氧化釩靶材，靶材直徑為60mm，厚度為3mm。實(shí)驗(yàn)的具體參數(shù)如下：背底真空度1×10-4Pa，濺射功率100W，濺射氣壓0.5Pa，氬氣流量30sccm，濺射時(shí)間30min，襯底溫度300℃。濺射前先用有機(jī)溶劑對石英片超聲波清洗10min，再用去離子水清洗10min，然后用氮?dú)獯蹈?。沉積薄膜前對靶預(yù)濺射5min，以去除靶表面的雜質(zhì)。

2.2 半導(dǎo)體材料電阻率與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

利用自制的變溫四探針測試儀，開展了二氧化釩薄膜電阻率與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由于二氧化釩薄膜的相變轉(zhuǎn)變溫度在70oC左右，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)的溫度變化從室溫到100oC，每隔5oC測量一次電導(dǎo)率。第一個(gè)測量點(diǎn)室溫為260C，第二個(gè)測量點(diǎn)為30oC，第三個(gè)測量點(diǎn)為35oC，一直到100oC。對于每個(gè)測量溫度點(diǎn)，要求溫度到后，恒溫等待5min后，再開始測試電阻率。測試結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著溫度的升高，二氧化釩薄膜的方塊電阻先迅速降低，然后趨于平緩。利用兩段趨勢的外延線相交，測量出二氧化釩材料的相變轉(zhuǎn)變溫度約為72oC，與文獻(xiàn)中報(bào)道的相變轉(zhuǎn)變溫度基本吻合。通過教學(xué)實(shí)踐表明：該變溫四探針能夠很好的滿足關(guān)于半導(dǎo)體材料電阻率與溫度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)測量的教學(xué)大綱要求，取得了良好的教學(xué)效果。

3 結(jié)論

根據(jù)《半導(dǎo)體材料》課程新修訂教學(xué)大綱的需求，利用現(xiàn)有一臺室溫四探針測試儀和一臺恒溫加熱臺，自組裝了一臺變溫四探針電導(dǎo)率測量儀，并通過磁控濺射法制備二氧化釩材料，開展了半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐表明：該變溫四探針能夠很好的滿足關(guān)于半導(dǎo)體材料電阻率與溫度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)測量的教學(xué)大綱要求，取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]宋婷婷，何捷，林理斌，等.氧化釩晶體的半導(dǎo)體至金屬相變的理論研究[J].物理學(xué)報(bào)，2010，59（9）：第59卷第9期， 6480-6485.

[2]柯才軍，陳西曲.金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].材料科學(xué)與工程，2009，9（15）：4398-4420.

[3]劉新福，孫以材，劉東升.四探針技術(shù)測量薄層電阻的原理及應(yīng)用[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2004，29（7）：48-52.

[4]翟俊學(xué)，張保崗，張萍，等.變溫/變壓四探針測試儀的研制與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（3）：27-29.