CN201096867Y - 测量半导体硅材料p/n型及电阻率的多功能测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种测量半导体硅材料P/N型及电阻率的多功能测试仪，包括多路输出控制变压器、整流电路、稳压电路，还包括单晶硅P/N型探针连接检测端口和单晶硅电阻率探针连接检测端口，单晶硅P/N型探针连接检测端口与多路输出控制变压器的一输出端连接，该探针连接检测端口还与整流电路、滤波电路连接，再接一运算放大器，运算放大器分别通过NPN和PNP型三极管与能够显示单晶硅P/N型的数码管驱动连接；单晶硅电阻率探针连接检测端口与整流电路、滤波、恒流稳压电路连接，整流电路与多路输出控制变压器的一输出端连接，电阻率探针检测端口还与显示电阻率的数字电压表连接。本实用新型结构简单、便携体积小、测量数据快稳、操作简单易行。

Description

测量半导体硅材料P/N型及电阻率的多功能测试仪

技术领域

本实用新型涉及一种测量半导体硅材料P/N型及电阻率的多功能测试仪，是一种半导体行业关于硅单晶材料物理参数测试的检测仪器，即可同时检测半导体的导电类型和电阻率大小。

背景技术

目前，测量半导体硅材料P/N型的方法很多，主要有热电法，整流法，和迭加法，热电法有热探针法和冷探法，整流法有两探针法和三探针法。此外，还有根据霍尔电动势的方向判断导电类型的霍尔电压法；硅单晶型号常用热探针法和三探针法测量。而硅单晶电阻率测量方法在行业生产中主要是接触法，即直流二探针法和四探针法(说明：这两种检测方法在测量硅单晶电阻率时对被测量体均通以直流电源，故称为直流法)。直流二探针法是通过测定硅单晶的体电阻，换算出电阻率，由于二探针法测量电阻率精确度高，多用于科研，可测电阻率范围10^-2-10⁵Ω.CM；现国内单晶硅生产厂家使用较多的是四探针法。四探针法用针距为1mm的四根针同时压在硅材料的平整表面上，利用电路中的线性稳压元件及电流放大型三极管等器件组成的恒流源给外面的1和4号探针通电流，中间两根针用高输入阻抗的数字电压表测量出电压，从而运用经验公式：ρ＝CV2-3/I可计算出硅材料的电阻率大小，其中：C为探针系数，该系数用标有固定电阻率的标准样块校正并确定。

现有硅单晶行业中使用的测量仪器主要存在下面三个方面的不足：1、硅单晶导电型号和电阻率的测量这两个参数需要用两种测量设备分别测试，测试方法及工序复杂，测量环境要求严格；2、测量仪器设备故障率高，设备维修困难，配件昂贵。3、测料时间和硅料种类受限制，稳定性不好。

实用新型内容

本实用新型仪器所要解决的技术问题是针对现有仪器存在的测量方式和电路设计复杂的缺陷，提供一种结构简单、便携、体积小、测量数据快、稳、操作简单、效率高、能测量半导体硅材料P/N型及电阻率的多功能单晶硅测试仪。

解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是：该测量半导体硅材料P/N型及电阻率的多功能测试仪包括多路输出控制变压器、整流电路、稳压电路，还包括单晶硅P/N型探针连接检测端口和单晶硅电阻率探针连接检测端口，单晶硅P/N型探针连接检测端口与多路输出控制变压器的一输出端连接，该探针连接检测端口还与整流电路、滤波电路连接，再接一运算放大器，运算放大器分别通过NPN和PNP型三极管与能够显示单晶硅P/N型的数码管驱动连接，探针检测单晶硅P/N型产生的脉动电流信号，经运算放大器进行电流放大，并分别导通NPN或PNP型三极管，驱动数码管，分别显示单晶硅料的P型或N型；单晶硅电阻率探针连接检测端口与整流电路、一滤波、恒流稳压电路连接，整流电路与多路输出控制变压器的一输出端连接，电阻率探针连接检测端口还与显示电阻率的数字电压表连接。数字电压表通过整流稳压电路与多路输出控制变压器的一输出端连接。单晶硅P/N型探针采用三探针，相应的探针连接检测端口为单晶硅P/N型三探针连接检测端口；单晶硅电阻率探针采用四探针，相应的探针连接检测端口为电阻率四探针连接检测端口。四探针法采用排成一条直线、间隔均等的四根金属探针以一定的压力垂直压在被测硅料表平面上，在1和4探针之间通以10-50mA直流电(由恒流稳压电路中的恒流源供给)，此时2和3探针之间经过硅料表面就产生了一定的电压，再利用经验公式：ρ＝CV_2-3/I，计算出硅单晶的电阻率，从而校准并检测出半导体材料的导电程度。

本实用新型把测量硅单晶PN型号和电阻率参数的功能集中设计到一块电路板上，板上设计两个测量端口，这两个测量端口分别为连接三探针的检测单晶硅P/N型的三探针连接检测端口和连接四探针的检测单晶硅电阻率的四探针连接检测端口，将检测电阻率及P/N型电路合二为一，外接两个测试探头分别测量和判断硅材料的电阻率和导电类型。检测出的硅材料导电类型经过计算电路(即图1中由LM741运放为核心器件组成的计算电路)计算后显示在两个七段数码管上，电阻率数值经放大电路计算后显示在一块数字电压表上。采用的主要元件有：一个多路输出控制变压器，有三路输出端，4个与变压器输出端连接的整流桥，4个78系列三端稳压器和1个7912三端稳压器与整流桥连接，一个运算放大器，及2个NPN三极管、一个PNP三极管和一块数字电压表。测量硅单晶P/N型号的电路包括控制变压器、整流桥、稳压器、NPN三极管、PNP三极管、运算放大器；测量硅单晶电阻率参数的电路包括控制变压器、整流器、稳压器、数字电压表。

本实用新型既能用于测量半导体硅材料P/N型，又能用于测试半导体硅材料电阻率，结构简单、便携、体积小、测量数据快、稳、操作简单、效率高。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理图

图2本实用新型测试单晶硅料电阻率电路原理控制流程框图

图3本实用新型测试硅料P/N型电路原理控制流程框图

图4为本实用新型外形结构前面板示意图

图5为本实用新型外形结构后面板示意图

图中：1-数字电压表，2-显示N型字母的七段数码管，3-显示低阻硅料发光二极管，4-显示P型字母的七段数码管，5-仪器电源打开指示灯，6-四探针良好接触硅料指示灯，7-电阻率校准调节电位器，8-仪器电源开关，9-数字电压表工作开关，10-220VAC电源插孔，11-保险管，12-三探针航空插头，13-四探针航空插头，J4-为前面板上的两个发光二极管指示灯连接端子接口，两个发光二极管分别为仪器电源指示灯5和四探针良好接触硅料的指示灯6，J5-四探针头的连接检测端口，J6-七段数码管的连接端口和显示低阻硅料发光二极管的连接端口，J7-三探针头的连接检测端口，J10-数字电压表的连接端口，LS-蜂鸣器，该器件工作电压为5VDC。

具体实施方式

以下结合本实用新型实施例附图，对本实用新型作进一步详细叙述：

如图1所示，把测量硅单晶P/N型号和电阻率参数的功能集中设计到一块电路板上，板上设计两个测量端口，这两个测量端口分别为图1的电路图中的连接检测端口J7和J5，单晶硅P/N型探针头的连接检测端口J7为三探针连接检测端口，采用三探针航空插头12，可插接三探针头；电阻率探针头的连接检测端口J5为四探针连接检测端口，采用四探针航空插头13，可插接四探针头。本实施例中采用的主要元件有：一个三路输出控制变压器，变压器三路输出端分别为图1中的T1、T2、T3，4个KBP10整流桥，4个78系列三端稳压器，其中L7824CV为稳压输出24VDC的三端稳压器，和1个7912三端稳压器，一个LM741运算放大器，及2个2N5551或BC547B NPN三极管Q1和Q2、一个2N5401PNP三极管Q3和一块连接在连接端口J10上的ZF5135数字电压表。

测量硅单晶P/N型号的电路包括控制变压器、三探针连接检测端口、整流桥、稳压器、NPN三极管、PNP三极管、运算放大器。三探针连接检测端口J7与滤波电路、稳压电路的稳压器、NPN三极管、PNP三极管、运算放大器连接之后接能够显示单晶硅P/N型的2个数码管(可采用发光二极管型数码管，型号为：8016AS七段数码管)，可分别显示其P/N型，三探针连接检测端口J7同时与一整流电路连接，三探针测量出的电流信号经该整流电路的整流桥D2整流、整流桥与一稳压器U2连接后再与蜂鸣器LS连接，同时与连接端口J6上的显示低阻硅料发光二极管3并接。形成检测P/N型和低阻硅料蜂鸣电路。

测量硅单晶电阻率参数的电路包括四探针连接检测端口、控制变压器、整流器、稳压器、数字电压表。

本实施例中控制变压器三路控制输出端T1、T2、T3分别为：交流一路由控制输出端T1输出到由二个并联的整流桥D3和D4组成的整流电路，二个并联的整流桥分别与三端稳压器连接，与整流桥D3连接的三端稳压器(U4)其一端通过滤波电路与三探针头的连接检测端口J7连接，该三端稳压器另一端与运算放大器连接，运算放大器再分别经过NPN和PNP型三极管与能够显示单晶硅P/N型的数码管驱动连接；与整流桥D4连接的三端稳压器U5一端给连接在端口J5上的四探针提供电源，有一恒流稳压电路由电阻率校准电位器R和三极管Q1连接后与稳压管D5并联在三端稳压器U5的输出端组成；交流二路、三路由控制输出端T2、T3输出，依次给二个由整流桥D1和D2构成的整流电路供电，整流桥D1与三端稳压器U1连接为数字电压表的连接端口J10供电；整流桥D2与三端稳压器U2连接同时为2个七段数码管的连接端口J6和蜂鸣器LS供电。交流一路输出为16V，由控制输出端T1输出，分别给图1中二个整流桥D3和D4供电，交流二路和三路都输出10V，由控制输出端T2、T3输出，给图1中整流桥D1和D2供电，同时分别由三端稳压器7805、7812和7912提供不同的稳定电压组成相应的控制电路。

前面板上的可调电位器7(图1中的R)经过晶体三极管Q1(可采用型号2N5551)后用来调节四探针测试硅料电阻率时的1，4金属探针输入的电流值，即校准硅料的电阻率。(四探针头连接在图1中的J5端口位置上)

LM741运算放大器对三探针测试硅料时产生的毫伏电压信号进行放大，并分别驱动导通两个三极管Q2、Q3，经过电流放大，驱动七段数码管(在图1中连接在连接端口J6上)显示硅料的P/N型。

连接在连接端口J10上的ZF5135数字电压表工作电压为：DC5V，主要作用是将测量的电压信号进行A/D转换，即用来显示硅料的电阻率大小。

本实施例的外型结构，如图4、图5所示，面板上包括：具有显示各种工作状态的发光二极管指示灯3、5、6、，显示硅材料导电类型(N型/P型)的七段数码管2、4，以及显示硅材料电阻率的一块数字电压表1。

以下说明本实用新型的工作过程。

1、硅单晶的P、N型检测

本实用新型三探针测试P/N型法是采用整流法来判断单晶硅的导电类型的，三探针法采用三根金属普通钢针与硅料点接触产生P-N结整流效应，三根金属探针与硅料形成整流接触，等效三个二极管，在1，2探针之间(中间探针2直接接电源的负极)通以16～18V交流电压，在探针2和3间测量硅料产生的电动势的极性。对于N型硅料，探针2和3之间产生正的脉动直流分量，对于P型硅材料，U_2-3(探针2和3之间的电压差)之间具有负的脉动直流分量，产生的脉动直流分量经过工频滤波电路滤去工频信号的干扰，随后进入双运放电路进行信号的放大，以驱动点亮数码显示管显示测试结果，从而判断出硅料的导电类型。

硅单晶的P、N型检测电路测试工作过程：

图3是测试硅单晶的P/N型电路工作流程框图。

a)当检测为N型硅料：三探针(连接在图1的三探针头的连接端口J7接口上或图4中的三探针航空插头12)以一定的压力良好接触压在硅料表面上，此时三探针中的探针2和3之间产生正的脉动直流分量，经过滤波电路：在图1中由电容C17、C18、电感L1组成的LCπ型滤波器滤除纹波变为平滑的直流信号，该直流信号直接流经Q3的发射极，同时LM741运算放大器进行电流信号放大由其输出端6输出的电流信号经R22、R20、R26三个电阻通向三极管Q3的基极，来驱动PNP型三极管Q3导通，最后电流信号流向连接端口J6的端子2上，从而点亮图4的七段数码管2以显示N型硅料。

b)当检测为P型硅料：此时三探针中的探针2和3之间产生负的脉动直流分量，电流信号流经三端稳压器7912(图1中U3)稳压滤波，一路流入LM741运放4脚，为LM741运放提供电源，一路流经R8可调零电位器，又通过LM741运算放大器反相输入端进行电流信号放大，然后LM741运算放大器输出端输出的正电流信号经R22、R20、R21三个电阻通向三极管Q2基极，来驱动NPN型三极管Q2导通，最后电流信号流向连接端口J6的端子5上，从而点亮图4的七段数码管4以显示P型硅料。

c)检测低阻硅料：无论硅料是P型还是N型只要硅料是低阻时，由于低阻料电阻很低近似导线，故从三探针测量出的电流信号经整流桥D2整流块整流，然后经三端稳压器7805(图1中的U2)稳压输出5vdc，从而驱动蜂鸣器鸣叫，同时经限流电阻R2后点亮连接端口J6上的显示低阻硅料发光二极管3长亮，提示并显示为低阻硅料，同时七段数码管2或4显示硅料的P/N型。

2、电阻率检测

2.1本实施例电阻率测量原理是：把排成一条直线的四根金属探针(四针的间隔须保证)以一定的压力垂直压在被测标准硅样品表平面上(厚度小于等于4mm)，在1和4探针之间通以电流I(mA)，此时2和3探针之间经过硅样片表面就产生了一定的电压(mV)，测量此电压根据测量方式和标准样品的外型尺寸不同，调整到相适应的标准电阻率数值，依次校准后进行对硅材料的电阻率大小的测量。

2.2根据硅料的种类不同，在测试硅块料厚度≤4mm、薄层片料、以及棒料或厚度大于4mm的厚片料时，要进行电阻率的修正。修正方法为：

在测试硅料时，先调节仪器面板前面的电位器7(图1中的电阻率校准电位器R)并用标准样块校准与标准样块的电阻率一致，然后进行测试硅原料，实际值＝测试显示的数值×0.95；

硅料电阻率检测的电路分析过程：

将排成一条直线的插接在四探针航空插头13上(图1中的J5为四探针接口)的四探针以一定的压力垂直压在标准硅单晶样块表面上，此时在1和4号探针之间通以24V直流电压(该电源由图1中的7824稳压器U5提供)；由于标准硅料样块具有标准恒定的电阻率值，在测量待测硅料前必须校准1和4探针之间的直流信号即调整与标准硅块一致的电阻率值；校准1和4号探针间的直流信号是通过图4中可调电位器7即图1中的可调电位器R(20K)和稳压管D5组成的校准恒流电路完成的，恒流出的电流信号流经三极管Q1的基极，从而驱动三极管Q1导通并电流放大，由于基极电流恒定，则集电极电流信号恒定，该电流信号通过三极管Q1的发射极，经限流电阻R6再回到稳压管U5，稳压管U5的负极与稳压器U5的GND接地端连通，形成电流回路，而确保1和4号探针之间的电流信号稳定；即加在硅料表面的电流信号稳定，此时在连接端口J4上的四探针良好接触硅料的指示灯6亮，然后2和3探针之间经硅料表面良好接触测量后产生出稳定的脉冲电压信号(mV)，该脉冲电压信号流经数字电压表(图1中的连接端口J10位置)的信号输入端1，2处(图1中的连接端口J10上)，然后数字电压表1将测量出的电压信号进行A/D转换，显示出的数值即为硅料的电阻率大小。

Claims (7)

1. 一种测量半导体硅材料P/N型及电阻率的多功能测试仪，包括多路输出控制变压器、整流电路、稳压电路，其特征在于还包括单晶硅P/N型探针连接检测端口和单晶硅电阻率探针连接检测端口，单晶硅P/N型探针连接检测端口与多路输出控制变压器的一输出端连接，该探针连接检测端口还与整流电路、滤波电路连接，再接一运算放大器，运算放大器分别通过NPN或PNP型三极管与能够显示单晶硅P/N型的数码管驱动连接；单晶硅电阻率探针连接检测端口与整流电路、滤波、恒流稳压电路连接，整流电路与多路输出控制变压器的一输出端连接，电阻率探针检测端口还与显示电阻率的数字电压表连接。

2. 根据权利要求1所述的测量半导体硅材料P/N型及电阻率的多功能测试仪，其特征在于多路输出控制变压器有三路输出端。

3. 根据权利要求1或2所述的测量半导体硅材料P/N型及电阻率的多功能测试仪，其特征在于数字电压表通过整流稳压电路与多路输出控制变压器的一输出端连接。

4. 根据权利要求3所述的测量半导体硅材料P/N型及电阻率的多功能测试仪，其特征在于单晶硅P/N型探针头的连接检测端口(J7)为三探针连接检测端口，采用三探针航空插头(12)，可插接三探针头；电阻率探针头的连接检测端口(J5)为四探针连接检测端口，采用四探针航空插头(13)，可插接四探针头。

5. 根据权利要求4所述的测量半导体硅材料P/N型及电阻率的多功能测试仪，其特征在于三探针连接检测端口与一整流电路连接，三探针测量出的电流信号经整流电路的整流桥(D2)整流、整流桥与一稳压器连接后再与蜂鸣器LS连接，稳压器同时并接能够显示单晶硅P/N型的数码管，形成检测P/N型和低阻硅料蜂鸣电路。

6.B 根据权利要求5所述的测量半导体硅材料P/N型及电阻率的多功能测试仪，其特征在于控制变压器三路控制输出端(T1、T2、T3)分别为：交流一路由控制输出端(T1)输出到由二个并联的整流桥D3和D4组成的整流电路，二个并联的整流桥分别与三端稳压器连接，与整流桥D3连接的三端稳压器(U4)其一端通过滤波电路与三探针头的连接检测端口(J7)连接，该三端稳压器另一端与运算放大器连接，运算放大器再分别经过NPN和PNP型三极管与能够显示单晶硅P/N型的数码管驱动连接；与整流桥(D4)连接的三端稳压器(U5)的输出端给连接在端口(J5)上的四探针提供电源；交流二路、三路由控制输出端(T2、T3)输出，依次给二个由整流桥(D1、D2)构成的整流电路供电，整流桥D1与三端稳压器(U1)连接为数字电压表的连接端口(J10)供电；整流桥D2与三端稳压器(U2)连接同时为2个七段数码管的连接端口(J6)和蜂鸣器(LS)供电。

7. 根据权利要求6所述的测量半导体硅材料P/N型及电阻率的多功能测试仪，其特征在于所述的恒流稳压电路由电阻率校准电位器(R)和三极管(Q1)连接后与稳压管(D5)并联在三端稳压器(U5)的输出端组成。

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