專利名稱：測量半導體硅材料p/n型及電阻率的多功能測試儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量半導體硅材料P/N型及電阻率的多功能測試 儀，是一種半導體行業(yè)關于硅單晶材料物理參數(shù)測試的檢測儀器，即可同時 檢測半導體的導電類型和電阻率大小。
背景技術：
目前，測量半導體硅材料P/N型的方法很多，主要有熱電法，整流法， 和迭加法，熱電法有熱探針法和冷探法，整流法有兩探針法和三探針法。此外， 還有根據(jù)霍爾電動勢的方向判斷導電類型的霍爾電壓法；硅單晶型號常用熱探 針法和三探針法測量。而硅單晶電阻率測量方法在行業(yè)生產(chǎn)中主要是接觸法， 即直流二探針法和四探針法(說明這兩種檢測方法在測量硅單晶電阻率時對被測量體均通以直流電源，故稱為直流法)。直流二探針法是通過測定硅單晶 的體電阻，換算出電阻率，由于二探針法測量電阻率精確度高，多用于科研，可測電阻率范圍10—2—105Q.CM;現(xiàn)國內(nèi)單晶硅生產(chǎn)廠家使用較多的是四探針法。 四探針法用針距為lmra的四根針同時壓在硅材料的平整表面上，利用電路中的線性 穩(wěn)壓元件及電流放大型三極管等器件組成的恒流源給外面的1和4號探針通電^1, 中間兩根針用高輸入阻抗的數(shù)字電壓表測量出電壓，從而運用經(jīng)驗公式P-CV2-3/I可計算出硅材料的電阻率大小，其中C為探針系數(shù)，該系數(shù)用標有固定電阻率的標準樣塊校正并確定。現(xiàn)有硅單晶行業(yè)中使用的測量儀器主要存在下面三個方面的不足1、硅單晶導電型號和電阻率的測量這兩個參數(shù)需要用兩種測量設備分別測試，測試方法及工序復雜，測量環(huán)境要求嚴格；2、測量儀器設備故障率高，設備維修困難，配件昂貴。 3、測料時間和硅料種類受限制，穩(wěn)定性不好。實用新型內(nèi)容本實用新型儀器所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有儀器存在的測量方式和 電路設計復雜的缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、便攜、體積小、測量數(shù)據(jù)快、穩(wěn)、操作簡單、效率高、能測量半導體硅材料P/N型及電阻率的多功能單晶硅測試 儀。解決本實用新型技術問題所采用的技術方案是該測量半導體硅材料P/N 型及電阻率的多功能測試儀包括多路輸出控制變壓器、整流電路、穩(wěn)壓電路，還包括單晶硅P/N型探針連接檢測端口和單晶硅電阻率探針連接檢測端口，單 晶硅P/N型探針連接檢測端口與多路輸出控制變壓器的一輸出端連接，該探針 連接檢測端口還與整流電路、濾波電路連接，再接一運算放大器，運算放大器 分別通過NPN和PNP型三極管與能夠顯示單晶硅P/N型的數(shù)碼管驅(qū)動連接，探 針檢測單晶硅P/N型產(chǎn)生的脈動電流信號，經(jīng)運算放大器進行電流放大，并分 別導通NPN或PNP型三極管，驅(qū)動數(shù)碼管，分別顯示單晶硅料的P型或N型； 單晶硅電阻率探針連接檢測端口與整流電路、 一濾波、恒流穩(wěn)壓電路連接，整 流電路與多路輸出控制變壓器的一輸出端連接，電阻率探針連接檢測端口還與 顯示電阻率的數(shù)字電壓表連接。數(shù)字電壓表通過整流穩(wěn)壓電路與多路輸出控制 變壓器的一輸出端連接。單晶硅P/N型探針釆用三探針，相應的探針連接檢測 端口為單晶硅P/N型三探針連接檢測端口；單晶硅電阻率探針采用四探針，相 應的探針連接檢測端口為電阻率四探針連接檢測端口。四探針法采用排成一條 直線、間隔均等的四根金屬探針以一定的壓力垂直壓在被測硅料表平面上，在1和4 探針之間通以10-50mA直流電(由恒流穩(wěn)壓電路中的恒流源供給)，此時2和3探 針之間經(jīng)過硅料表面就產(chǎn)生了一定的電壓，再利用經(jīng)驗公式P=CV2-3/I，計算出 硅單晶的電阻率，從而校準并檢測出半導體材料的導電程度。本實用新型把測量硅單晶PN型號和電阻率參數(shù)的功能集中設計到一塊電 路板上，板上設計兩個測量端口，這兩個測量端口分別為連接三探針的檢測單 晶硅P/N型的三探針連接檢測端口和連接四探針的檢測單晶硅電阻率的四探 針連接檢測端口，將檢測電阻率及P/N型電路合二為一，外接兩個測試探頭分 別測量和判斷硅材料的電阻率和導電類型。檢測出的硅材料導電類型經(jīng)過計算 電路(即圖1中由LM741運放為核心器件組成的計算電路)計算后顯示在兩個 七段數(shù)碼管上，電阻率數(shù)值經(jīng)放大電路計算后顯示在一塊數(shù)字電壓表上。采用 的主要元件有 一個多路輸出控制變壓器，有三路輸出端,4個與變壓器輸出端連接 的整流橋，4個78系列三端穩(wěn)壓器和1個7912三端穩(wěn)壓器與整流橋連接， 一個運算 放大器，及2個NPN三極管、 一個PNP三極管和一塊數(shù)字電壓表。測量硅單晶P/N 型號的電路包括控制變壓器、整流橋、穩(wěn)壓器、NPN三極管、PNP三極管、運算放大器；測量硅單晶電阻率參數(shù)的電路包括控制變壓器、整流器、穩(wěn)壓器、數(shù) 字電壓表。本實用新型既能用于測量半導體硅材料P/N型，又能用于測試半導體硅材 料電阻率，結(jié)構(gòu)簡單、便攜、體積小、測量數(shù)據(jù)快、穩(wěn)、操作簡單、效率高。
圖1為本實用新型的電路原理圖圖2本實用新型測試單晶硅料電阻率電路原理控制流程框圖 圖3本實用新型測試硅料P/N型電路原理控制流程框圖 圖4為本實用新型外形結(jié)構(gòu)前面板示意圖 圖5為本實用新型外形結(jié)構(gòu)后面板示意圖圖中1-數(shù)字電壓表，2 —顯示N型字母的七段數(shù)碼管，3 —顯示低阻硅料發(fā)光二極管， 4一顯示P型字母的七段數(shù)碼管，5 —儀器電源打開指示燈，6—四探針良好接觸硅料指 示燈，7—電阻率校準調(diào)節(jié)電位器，8 —儀器電源開關，9一數(shù)字電壓表工作開關，10 — 220VAC電源插孔，ll一保險管，12—三探針航空插頭，13 —四探針航空插頭，J4一 為前面板上的兩個發(fā)光二極管指示燈連接端子接口，兩個發(fā)光二極管分別為儀 器電源指示燈5和四探針良好接觸硅料的指示燈6， J5—四探針頭的連接檢測端 口， J6 —七段數(shù)碼管的連接端口和顯示低阻硅料發(fā)光二極管的連接端口， J7 —三 探針頭的連接檢測端口， J10 —數(shù)字電壓表的連接端口， LS—蜂鳴器，該器件工 作電壓為5VDC。
具體實施方式
以下結(jié)合本實用新型實施例附圖，對本實用新型作進一步詳細敘述 如圖l所示，把測量硅單晶P/N型號和電阻率參數(shù)的功能集中設計到一塊電 路板上，板上設計兩個測量端口，這兩個測量端口分別為圖l的電路圖中的連接檢測端口 J7和J5，單晶硅P/N型探針頭的連接檢測端口 J7為三探針連接檢測 端口，采用三探針航空插頭12，可插接三探針頭；電阻率探針頭的連接檢測端口 J5為四探針連接檢測端口，采用四探針航空插頭13，可插接四探針頭。本實施例中采用的主要元件有 一個三路輸出控制變壓器，變壓器三路輸出端分別為圖1中的Tl、 T2、 T3， 4個KBP10整流橋，4個78系列三端穩(wěn)壓器，其中L7824CV為穩(wěn)壓輸出24VDC的三端穩(wěn)壓器，和1個7912三端穩(wěn)壓器， 一個LM741運算放大器，及2個2N5551 或BC547B NPN三極管Ql和Q2、一個2N5401PNP三極管Q3和一塊連接在連接端口 J10 上的ZF5135數(shù)字電壓表。測量硅單晶P/N型號的電路包括控制變壓器、三探針連接檢測端口、整流 橋、穩(wěn)壓器、NPN三極管、PNP三極管、運算放大器。三探針連接檢測端口 J7與濾 波電路、穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓器、NPN三極管、PNP三極管、運算放大器連接之后接能夠 顯示單晶硅P/N型的2個數(shù)碼管(可采用發(fā)光二極管型數(shù)碼管，型號為8016AS 七段數(shù)碼管)，可分別顯示其P/N型，三探針連接檢測端口 J7同時與一整流電 路連接，三探針測量出的電流信號經(jīng)該整流電路的整流橋D2整流、整流橋與一穩(wěn) 壓器U2連接后再與蜂鳴器LS連接，同時與連接端口 J6上的顯示低阻硅料發(fā)光二 極管3并接。形成檢測P/N型和低阻硅料蜂鳴電路。測量硅單晶電阻率參數(shù)的電路包括四探針連接檢測端口、控制變壓器、整 流器、穩(wěn)壓器、數(shù)字電壓表。本實施例中控制變壓器三路控制輸出端Tl、 T2、 T3分別為交流一路由控制輸 出端Tl輸出到由二個并聯(lián)的整流橋D3和D4組成的整流電路，二個并聯(lián)的整流橋分 別與三端穩(wěn)壓器連接，與整流橋D3連接的三端穩(wěn)壓器(U4)其一端通過濾波電路與三 探針頭的連接檢測端口 J7連接，該三端穩(wěn)壓器另一端與運算放大器連接，運算放 大器再分別經(jīng)過NPN和PNP型三極管與能夠顯示單晶硅P/N型的數(shù)碼管驅(qū)動連 接；與整流橋D4連接的三端穩(wěn)壓器U5—端給連接在端口 J5上的四探針提供電源，有 一恒流穩(wěn)壓電路由電阻率校準電位器R和三極管Ql連接后與穩(wěn)壓管D5并聯(lián)在三端 穩(wěn)壓器U5的輸出端組成；交流二路、三路由控制輸出端T2、 T3輸出，依次給二個由 整流橋Dl和D2構(gòu)成的整流電路供電，整流橋Dl與三端穩(wěn)壓器Ul連接為數(shù)字電壓表 的連接端口 J10供電；整流橋D2與三端穩(wěn)壓器U2連接同時為2個七段數(shù)碼管的連 接端口 J6和蜂鳴器LS供電。交流一路輸出為16V，由控制輸出端T1輸出，分別給 圖1中二個整流橋D3和D4供電，交流二路和三路都輸出IOV，由控制輸出端T2、 T3 輸出，給圖1中整流橋D1和D2供電，同時分別由三端穩(wěn)壓器7805、 7812和7912提供不同的穩(wěn)定電壓組成相應的控制電路。前面板上的可調(diào)電位器7 (圖1中的R)經(jīng)過晶體三極管Q1(可采用型號2N5551) 后用來調(diào)節(jié)四探針測試硅料電阻率時的1， 4金屬探針輸入的電流值，即校準硅料的電阻率。(四探針頭連接在圖1中的J5端口位置上)LM741運算放大器對三探針測試硅料時產(chǎn)生的毫伏電壓信號進行放大，并分別驅(qū) 動導通兩個三極管Q2、 Q3,經(jīng)過電流放大，驅(qū)動七段數(shù)碼管(在圖l中連接在連接端 口 J6上)顯示硅料的P/N型。連接在連接端口 J10上的ZF5135數(shù)字電壓表工作電壓為DC5V，主要作用是將 測量的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，即用來顯示硅料的電阻率大小。本實施例的外型結(jié)構(gòu)，如圖4、圖5所示，面板上包括具有顯示各種工作狀態(tài) 的發(fā)光二極管指示燈3、 5、 6、，顯示硅材料導電類型(N型/P型)的七段數(shù)碼管2、 4，以及顯示硅材料電阻率的一塊數(shù)字電壓表l。 以下說明本實用新型的工作過程。 1、硅單晶的P、 N型檢測本實用新型三探針測試P/N型法是采用整流法來判斷單晶硅的導電類型的，三探 針法采用三根金屬普通鋼針與硅料點接觸產(chǎn)生P-N結(jié)整流效應，三根金屬探針與硅料 形成整流接觸，等效三個二極管，在l， 2探針之間(中間探針2直接接電源的負極) 通以16 18V交流電壓，在探針2和3間測量硅料產(chǎn)生的電動勢的極性。對于N型硅 料，探針2和3之間產(chǎn)生正的脈動直流分量，對于P型硅材料，U2-3 (探針2和3之 間的電壓差)之間具有負的脈動直流分量，產(chǎn)生的脈動直流分量經(jīng)過工頻濾波電路濾 去工頻信號的千擾，隨后進入雙運放電路進行信號的放大，以驅(qū)動點亮數(shù)碼顯示管顯 示測試結(jié)果，從而判斷出硅料的導電類型。硅單晶的P、 N型檢測電路測試工作過程圖3是測試硅單晶的P/N型電路工作流程框圖。a)當檢測為N型硅料三探針(連接在圖1的三探針頭的連接端口 J7接口上 或圖4中的三探針航空插頭12)以一定的壓力良好接觸壓在硅料表面上，此時三探針 中的探針2和3之間產(chǎn)生正的脈動直流分量，經(jīng)過濾波電路在圖1中由電容C17、 C18、電感Ll組成的LCTt型濾波器濾除紋波變?yōu)槠交闹绷餍盘?，該直流信號直接?經(jīng)Q3的發(fā)射極，同時LM741運算放大器進行電流信號放大由其輸出端6輸出的電流 信號經(jīng)R22、 R20、 R26三個電阻通向三極管Q3的基極，來驅(qū)動PNP型三極管Q3導通， 最后電流信號流向連接端口 J6的端子2上'從而點亮圖4的七段數(shù)碼管2以顯示 N型硅料。b) 當檢測為P型硅料此時三探針中的探針2和3之間產(chǎn)生負的脈動直流分量， 電流信號流經(jīng)三端穩(wěn)壓器7912 (圖1中U3)穩(wěn)壓濾波， 一路流入LM741運放4腳， 為LM741運放提供電源， 一路流經(jīng)R8可調(diào)零電位器，又通過LM741運算放大器反相 輸入端進行電流信號放大，然后LM741運算放大器輸出端輸出的正電流信號經(jīng)R22、 R20、 R21三個電阻通向三極管Q2基極，來驅(qū)動NPN型三極管Q2導通，最后電流信 號流向連接端口 J6的端子5上，從而點亮圖4的七段數(shù)碼管4以顯示P型硅料。c) 檢測低阻硅料無論硅料是P型還是N型只要硅料是低阻時，由于低阻料電 阻很低近似導線，故從三探針測量出的電流信號經(jīng)整流橋D2整流塊整流，然后經(jīng)三 端穩(wěn)壓器7805 (圖1中的U2)穩(wěn)壓輸出5vdc，從而驅(qū)動蜂鳴器鳴叫，同時經(jīng)限流電 阻R2后點亮連接端口 J6上的顯示低阻硅料發(fā)光二極管3長亮，提示并顯示為低阻硅 料，同時七段數(shù)碼管2或4顯示硅料的P/N型。2、電阻率檢測2. 1本實施例電阻率測量原理是把排成一條直線的四根金屬探針(四針的間隔 須保證)以一定的壓力垂直壓在被測標準硅樣品表平面上(厚度小于等于4mm)，在 1和4探針之間通以電流I (mA)，此時2和3探針之間經(jīng)過硅樣片表面就產(chǎn)生了一定 的電壓(mV),測量此電壓根據(jù)測量方式和標準樣品的外型尺寸不同，調(diào)整到相適應 的標準電阻率數(shù)值，依次校準后進行對硅材料的電阻率大小的測量。2. 2根據(jù)硅料的種類不同，在測試硅塊料厚度g4mm、薄層片料、以及棒料或 厚度大于4mm的厚片料時，要進行電阻率的修正。修正方法為-在測試硅料時，先調(diào)節(jié)儀器面板前面的電位器7 (圖1中的電阻率校準電位器R) 并用標準樣塊校準與標準樣塊的電阻率一致，然后進行測試硅原料，實際值=測試顯 示的數(shù)值X0.95;硅料電阻率檢測的電路分析過程將排成一條直線的插接在四探針航空插頭13上(圖1中的J5為四探針接口 )的四探針以一定的壓力垂直壓在標準硅單晶樣塊表面上，此時在1和4號探針之間通以24V直流電壓(該電源由圖1中的7824穩(wěn)壓器U5提供)；由于標準硅料樣塊具有標準恒定的電阻率值，在測量待測硅料前必須校準1和4探針之間的直流信號即調(diào)整與標準硅塊一致的電阻率值；校準1和4號探針間的直流信號是通過圖4中可調(diào)電位器7即圖1中的可調(diào)電位器R(20K)和穩(wěn)壓管D5組成的校準恒流電路完成的，恒流出的電流信號流經(jīng)三極管Ql的基極，從而驅(qū)動三極管Ql導通并電流放大，由于基極電流恒定，則集電極電流信號恒定，該電流信號通過三極管Q1的發(fā)射極，經(jīng)限流電阻R6再回到穩(wěn) 壓管U5，穩(wěn)壓管U5的負極與穩(wěn)壓器U5的GND接地端連通，形成電流回路，而確保 l和4號探針之間的電流信號穩(wěn)定；即加在硅料表面的電流信號穩(wěn)定，此時在連接端口 J4上的四探針良好接觸硅料的指示燈6亮，然后2和3探針之間經(jīng)硅料表面良好接觸 測量后產(chǎn)生出穩(wěn)定的脈沖電壓信號(mV)，該脈沖電壓信號流經(jīng)數(shù)字電壓表(圖1中 的連接端口J10位置)的信號輸入端l， 2處(圖1中的連接端口J10上)，然后數(shù)字電 壓表1將測量出的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，顯示出的數(shù)值即為硅料的電阻率大小。
權(quán)利要求1. 一種測量半導體硅材料P/N型及電阻率的多功能測試儀，包括多路輸出控制變壓器、整流電路、穩(wěn)壓電路，其特征在于還包括單晶硅P/N型探針連接檢測端口和單晶硅電阻率探針連接檢測端口，單晶硅P/N型探針連接檢測端口與多路輸出控制變壓器的一輸出端連接，該探針連接檢測端口還與整流電路、濾波電路連接，再接一運算放大器，運算放大器分別通過NPN或PNP型三極管與能夠顯示單晶硅P/N型的數(shù)碼管驅(qū)動連接；單晶硅電阻率探針連接檢測端口與整流電路、濾波、恒流穩(wěn)壓電路連接，整流電路與多路輸出控制變壓器的一輸出端連接，電阻率探針檢測端口還與顯示電阻率的數(shù)字電壓表連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量半導體硅材料P/N型及電阻率的多功能 測試儀，其特征在于多路輸出控制變壓器有三路輸出端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測量半導體硅材料P/N型及電阻率的多 功能測試儀，其特征在于數(shù)字電壓表通過整流穩(wěn)壓電路與多路輸出控制變壓 器的一輸出端連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量半導體硅材料P/N型及電阻率的多功 能測試儀，其特征在于單晶硅P/N型探針頭的連接檢測端口(J7)為三探針 連接檢測端口，采用三探針航空插頭(12)，可插接三探針頭；電阻率探針頭的 連接檢測端口(J5)為四探針連接檢測端口，采用四探針航空插頭(13)，可插接 四探針頭。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量半導體硅材料P/N型及電阻率的多功 能測試儀，其特征在于三探針連接檢測端口與一整流電路連接，三探針測量 出的電流信號經(jīng)整流電路的整流橋(D2)整流、整流橋與一穩(wěn)壓器連接后再與 蜂鳴器LS連接，穩(wěn)壓器同時并接能夠顯示單晶硅P/N型的數(shù)碼管，形成檢 測P/N型和低阻硅料蜂鳴電路。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量半導體硅材料P/N型及電阻率的多功能 測試儀，其特征在于控制變壓器三路控制輸出端(Tl、 T2、 T3)分別為交流 一路由控制輸出端(T1)輸出到由二個并聯(lián)的整流橋D3和D4組成的整流電路，二 個并聯(lián)的整流橋分別與三端穩(wěn)壓器連接，與整流橋D3連接的三端穩(wěn)壓器(U4)其一 端通過濾波電路與三探針頭的連接檢測端口 (J7)連接，該三端穩(wěn)壓器另一端 與運算放大器連接，運算放大器再分別經(jīng)過NPN和PNP型三極管與能夠顯示 單晶硅P/N型的數(shù)碼管驅(qū)動連接；與整流橋(D4)連接的三端穩(wěn)壓器(U5)的輸出端給連接在端口 (J5)上的四探針提供電源；交流二路、三路由控制輸出端(T2、 T3)輸出，依次給二個由整流橋(Dl、 D2)構(gòu)成的整流電路供電，整流橋 Dl與三端穩(wěn)壓器(lil)連接為數(shù)字電壓表的連接端口 (J10)供電；整流橋D2 與三端穩(wěn)壓器(U2)連接同時為2個七段數(shù)碼管的連接端口(J6)和蜂雞器(LS) 供電。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量半導體硅材料P/N型及電阻率的多功 能測試儀，其特征在于所述的恒流穩(wěn)壓電路由電阻率校準電位器(R)和三極 管(Ql)連接后與穩(wěn)壓管(D5)并聯(lián)在三端穩(wěn)壓器(U5)的輸出端組成。
專利摘要本實用新型涉及一種測量半導體硅材料P/N型及電阻率的多功能測試儀，包括多路輸出控制變壓器、整流電路、穩(wěn)壓電路，還包括單晶硅P/N型探針連接檢測端口和單晶硅電阻率探針連接檢測端口，單晶硅P/N型探針連接檢測端口與多路輸出控制變壓器的一輸出端連接，該探針連接檢測端口還與整流電路、濾波電路連接，再接一運算放大器，運算放大器分別通過NPN和PNP型三極管與能夠顯示單晶硅P/N型的數(shù)碼管驅(qū)動連接；單晶硅電阻率探針連接檢測端口與整流電路、濾波、恒流穩(wěn)壓電路連接，整流電路與多路輸出控制變壓器的一輸出端連接，電阻率探針檢測端口還與顯示電阻率的數(shù)字電壓表連接。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、便攜體積小、測量數(shù)據(jù)快穩(wěn)、操作簡單易行。
文檔編號G01R27/02GK201096867SQ20072012746
公開日2008年8月6日 申請日期2007年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月15日
發(fā)明者任林生, 勇 曾, 李建帥 申請人:新疆新能源股份有限公司