实验二-光电导衰退测量少数载流子的寿命Word格式文档下载.doc
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实验表明，光照停止后，Δp随时间按指数规律减少。
这说明非平衡载流子不是立刻全部消失，而是有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时间，有的长些，有的短些。
非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，用表示。
由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的影响处于主导的、决定的地位，因而非平衡载流子的寿命通常称为少数载流子寿命。
显然1/就表示单位时间内非平衡载流子的复合概率。
通常把单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数称为非平衡载流子的复合率。
很明显，Δp/就代表复合率。
以光子能量略大于半导体禁带宽度的光照射样品，在样品中激发产生非平衡电子和空穴。
若样品中没有明显的陷阱效应，那么非平衡电子和空穴浓度相等，他们的寿命也就相同。
如果所采用的光在半导体中的吸收系数比较小，而且非平衡载流子在样品表面复合掉的部分可以忽略，那么光激发的非平衡载流子在样品内可以看成是均匀分布。
假定一束光在一块n型半导体内部均匀的产生非平衡载流子Δn和Δp。
在t=0时刻，光照突然停止，Δp随时间而变化，单位时间内非平衡载流子浓度的减少应为-dΔp（t）/dt，它由复合引起，因此应当等于非平衡载流子的复合率，即
（1）
在非平衡少数载流子浓度Δp比平衡载流子浓度n0小得多，即小注入时，是一恒量，与Δp（t）无关，设t=0时，Δp（0）=（Δp）0，则
（1）式的解为
（2）
上式就是非平衡载流子浓度随时间按指数衰减的规律。
利用
（2）式可以求出非平衡载流子平均生存时间就是寿命，即
（3）
若取t=，由
（2）式知，，所以寿命也等于非平衡载流了浓度衰减到原值的1/e所经历的时间。
如果入射光的能量hν>
Eg，这样的光被半导体吸收之后，就会产生过剩载流子，引起载流子浓度的变化。
因而电导率也就随之该变。
对一块n型半导体来说，在无光照的情况下，即处于平衡状态。
其电导率，这时的电导率称为“暗电导率”。
当有光照时，载流子的数目增加了，电导率也随之增加，增加量为：
（4）
电导率的这个增加量称为“光电导率”。
光照停止后，过剩载流子不再产生，只有复合。
由于过剩载流子逐渐减少，则光电导也就不断下降。
这样，通过对光电导随时间变化的测量，就可以得到过剩载流子随时间变化的情况，也就可以求出寿命。
光电导衰退法测量过剩载流子寿命，就是根据这个原理进行的。
测量少数载流子寿命的方法很多，分别属于瞬态法和和稳态法两大类。
瞬态法是由测量半导体样品从非平衡态向平衡态过渡过程的快慢来确定载流子寿命。
例如：
对均匀半导体材料有光电导衰退法，双脉冲法，相移法；
对P-N结二极管有反向恢复时间法，开路电压衰退法。
稳态法是由测量半导体处在稳定的非平衡时的某些物理量来求得载流子的寿命。
扩散长度法，稳态光电导法，光磁效应法，表面光电压法等。
近年来，许多文章介绍扫描电镜测量半导体的少数载流子扩散长度。
在硅单晶的检验和器件工艺监测中应用最广泛的是光电导衰退法和表面光电压法，这两种测试方法已经被列入美国材料测试学会（ASTM）的标准方法。
光电导衰退法有直流光电导衰退法、高频光电导衰退法和微波光电导衰退法。
其差别主要在于用直流、高频电流还是微波来提供检测样品中非平衡载流子的衰退过程的手段。
直流法是标准方法，高频法在硅单晶质量检验中使用十分方便，而微波法则可以用于器件工艺线上测试晶片的工艺质量。
三、实验内容
1.设备及参数
LT-2型单晶寿命测试仪：
采用高频光电导衰退法的原理设计，用于测量硅单晶及锗单晶的非平衡少数载流子寿命。
由稳压电源、高频源、检波放大器、脉冲光源及样品电极共五部分组成，采用印刷电路和高频接插件连接。
技术指标：
1.测试单晶电阻率的下限：
硅单晶:
2Ω.cm，锗单晶：
5Ω.cm。
2.可测单晶少子寿命范围：
5μS～7000μS。
3.配备光源类型：
F71型1.09μm红外光源。
闪光频率为20～30次/秒，频宽60μS。
4.高频振荡：
石英谐振器，振荡频率：
30MHz。
5.前置放大器：
放大倍数25～30倍，频宽：
2Hz-lMHz。
6.仪器测量重复误差：
＜土20%。
7.采用对标准曲线读数方式。
8.仪器消耗功率：
＜30W。
9.仪器工作条件：
温度：
10～35℃；
湿度：
＜80%。
使用电源：
220V、50MHz（建议使用稳压源）。
10.测量方式及可测单晶尺寸：
断面竖测：
φ25mm-125mm；
L2mm-500mm。
纵向卧测：
L50mm-800mm。
（注意：
如测试硅片显示寿命偏小，但可作参考）
11.配用示波器：
频宽0-20MHz；
电压灵敏度：
10mV/cm。
2.实验方法
高频光电导衰退法是以直流光电导衰退法为基础的。
图1是用直流光电导方法测量非平衡载流子寿命的示意图。
光脉冲照射载样品的绝大部分上，在样品中产生非平衡载流子，使样品的电导发生改变。
要测量的是在光照结束后，附加电导ΔG的衰减。
利用一个直流电源和一个串联电阻RL，把一定的电压加在样品两端。
如果样品是高阻材料，则选择串联电阻RL的阻值比样品电阻R的小得多。
当样品的电阻因光照而发生变化时，加在样品两端的电压基本不变。
样品两端电压的相对变化为：
（5）
也即样品两端的电压V基本上不变，流过样品的电流的变化ΔI近似地正比与样品电导的变化ΔG，
这个电流变化在串联电阻RL上引起的电压变化为:
所以有：
（6）
因为，即且，结合（4）式，（6）可推知：
（7）
串联电阻上的电压变化由示波器显示出来，如图1所示。
根据光脉冲结束以后随时间的衰减，可以直接测定寿命τ。
图1光注入引起附加光电导及示波器电压的变化
在高频光电导方法中采用高频电场替代了直流电场，电容耦合代替欧姆接触。
因而不用切割样品，不破坏硅棒，测量手续简便。
图2高频电场光电导衰退测量示意图
如图2方框图所示，高频源提供高频电流来载波，频率为30MHz的等频震荡的正弦波，其波形如图3所示。
将此讯号经电容耦合到硅棒，在硅棒中产生电流：
（8）
当脉冲光照射到硅棒上时，将在其中产生非平衡载流子，使样品产生附加光电导，样品电阻下降。
由于高频源为恒压输出，所以光照停止后，样品中的电流亦随时间指数式地衰减：
（9）
电流的波形为调幅波，如图4所示。
在取样器上产生的电压亦按同样规律变化。
此调幅高频讯号经检波器解调和高频滤波，在经宽频放大器放大后，输入到脉冲示波器。
在示波屏上就显示出一条指数衰减曲线，衰减的时间常数τ就是欲测的寿命值，如图5所示。
图3正弦载波图4调幅波
图5电压值的指数衰减
测量中值得注意的问题：
1、由于寿命一般是随注入比增大而增大，尤其是高阻样品。
因此寿命测量数据只有在同一注入比下才有意义。
一般控制在“注入比”≤1%，近似按下式计算注入比：
注入比
上式中，ΔV为示波器上测出的讯号电压值；
k是前置放大器的放大倍数；
V是检波器后面的电压表指示值。
2、非平衡载流子除了在体内进行复合以外，在表面也有一定的复合率。
表面复合几率的大小与样品表面所处的状态有着密切的关系。
因此在测量寿命的过程中，必须考虑表面复合机构的影响。
我们讨论一种理论上最简单，实验上又最重要的情况——各个表面的表面复合速度S均相等，并且S=∞。
对于圆柱状样品，少数载流子表面复合率1/τ为：
其中A为样品厚度，Φ为直径，D为少数载流子的扩散系数。
少数载流子的有效衰退τe则由下式给出：
衰退曲线初始部分的快衰退，常常是由表面复合所引起的。
用硅滤光片把非贯穿光去掉，往可以得到消除。
3、在有非平衡载流子出现的情况下，半导体中的某些杂质能级所具有的电子数，也会发变化。
电子数的增加可以看作积累了电子；
电子数的减少可以看作积累了空穴。
他们积累的多少，视杂质能级的情况而定。
这种积累非平衡载流子的效应称为陷阱效应。
他们所陷的非平衡载流子常常是经过较长时间才能逐渐释放出来，因而造成了衰退曲线后半部分的退速率变慢。
此时用底光灯照射样品，常常可以消除陷阱的影响，使曲线变得好一些。
3．实验步骤
（1）接上电源线以及用高频连接线将CZ与示波器Y输入端接通，开启主机及示波器，预热15分钟。
在没放样品的情况下，可调节W2使检波电压为零。
（2）在电极上涂抹一点自来水（注意:
涂水不可过多，以免水流入光照孔），然后将清洁处理后的样品置于电极上面，此时检波电压表将会显示检波电压。
如样品很轻，可在单晶上端压上重物，以改善接触。
（3）按下K接通红外发光管工作电源，旋转W1，适当调高电压。
（4）调整示波器电平及释抑时间内同步，Y轴衰减X轴扫描速度及曲线的上下左右位置，使仪器输出的指数衰减光电导信号波形稳定下来，并与屏幕的标准指数曲线尽量吻合。
通常光电导衰减曲线的起始部分不是指数，而衰退到50%以后基本进入单一指数。
在光电导衰退曲线的指数部分取点，使ΔV2=1/2ΔV1。
根据扫描速度刻盘或时标打点计数，读出t2-t1，就可以得到样品的有效寿命：
（5）关机时，要先把开关K按起。
四、实验报告要求
1.实验目的；
2.实验原理；
3.实验数据记录与处理；
4.实验结果测试与分析；
5.思考题；
6.总结。
思考题
1．如何确定光注入是否处于小注入情况？
为何实验中要采用小注入的光注入？
2．实验得到的载流子寿命是否包含了表面复合的影响？
应该如何得到少数载流子的体寿命？
五、附件：
仪器使用
单晶少子寿命测试仪须配合示波器使用（构成如下图所示），主机和示波器通过讯号连接线相连。
测试时将样品置于主机顶盖的样品承片台上，通过调节示波器同步电平及释抑时间内同步示波器，使仪器输出的指数衰减光电导信号波形稳定下来，然后在示波器上观察和计算样品寿命读数。
以下对主机各部分进行说明:
5.1主机前面板说明
项目
说明
L1
红外光源电压值显示屏，指示红外光管工作电压大小
L2
检波电压显示屏
K
红外光源开关
W1
红外光源电压调节电位器，顺时针旋转电压调高，反之电压调低
W2
检波电压调零电位器，通过顺时针或逆时针旋转可使检波电压调零
CZ
信号输出高频插座，用高频电缆将此插座输出的信号送至示波器观察
5.2主机后面板说明
4
1
ON
OFF
2
FUSE
220V
3
电源开关
电源插座
保险管（规格：
1A250V）
散热风扇
5.3主机承片台说明：
红外光透光孔
电极极
样品的承片台位于主机箱顶盖中央，由两个电极和红外光透光孔组成，测试时将样品置于两电极和红外光透光孔上。
5.4如果光电导信号衰减波形部分偏离指数曲线，则应作如下处理：
（1）如波形初始部分衰减较快，则用波形较后部分测量，即去除表面复合引起的高次模部分读数（见示意图）。
（2）如波形头部出现平顶现象，说明信号太强（见示意图）,应减弱光强，在小信号下进行测量。
60%
（3）为保证测试准确性,满足小注入条件,即在可读数的前提下，示波器尽量使用大的倍率，光源电压尽量地调小。
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