2高频光电导衰减法测量硅单晶少子寿命.doc

实验2 高频光电导衰退法测量硅单晶少子寿命 实验目的 掌握一种测量硅单晶少子寿命的方法。 实验内容 用高频光电导衰退法测量硅单晶棒或单晶片的少子寿命。 实验原理 直流光电导衰退法 直流光电导衰退法是根据恒定电流作用下半导体样品的光电导随时间衰减的特性来测量少子寿命的。其测试简图见图1 。图中，R是被测半导体样品的体电阻，E是直流电源，RC是测试回路的限流电阻，且选择，故可近似认为流过样品的电流I恒定不变。这样，用示波器记录光照停止后R两端电压随时间的变化就等同于记录R随时间的变化，实际上也就是记录半导体中非平衡载流子浓度随时间的衰减的曲线，由此衰减曲线就可以得到单晶材料的少子寿命。 以N型半导体为例，设样品暗电导率为，光照下的电导率为，那么 式（2）中，为附加光电导率。假设光注入下非平衡载流子浓度为，若无明显的陷阱效应，近似有，所以附加光电导（）与非平衡少数载流子浓度（）之间有如下关系 在小注入条件下，近似有，故光照条件下电阻率的改变量为 相应电阻的改变量近似为 式中分别为样品的长度和截面积。将式（1）、（3）代入式（5），得到 式中，，它是无光照条件下半导体样品的体电阻。于是，样品体电阻（R）两端电压的改变量为 把式（7）换一种写法，可以得到光照前后样品两端电压的相对变化与样品中少数载流子浓度之间的关系 式中V为无光照时直流电流I在样品上产生的电压降。 由式（8）可以看出，光照后被测样品上电压的相对变化与非平衡载流子浓度成正比，同时也与光注入的注入比成正比。由半导体物理可知，在光照停止以后，半导体中由外部光照产生的非平衡少数载流子，遵循指数衰减规律而复合消失，即 式中为光照停止瞬间少数载流子的浓度， 为时间，为少子寿命。因为在光照停止后是随时间减少的，所以也是随时间减少的。由此可见，当脉冲光照射样品时，从示波器上观察的电压随时间变化曲线所反应的是，两次脉冲光照间隙光生非平衡载流子衰减的曲线，只要测出该曲线的衰减常数就可以由式（9）得到非平衡少数载流子的寿命。 3.2 高频光电导衰退法 高频光电导衰退法测少子寿命的示意图见图2。它主要由光学和电学这两部分组成。光学部分主要是脉冲光源系统。充电到数千伏的电容器经脉冲电源触发放电，为氙气灯提供电源，使其给出余辉时间小于的光脉冲（1次/秒），再经过光栏、聚光镜、滤光片投射于被测样品表面。这种光源光强度大，频谱丰富，能为硅、锗提供能量高于吸收边的有效激发光（硅的本征吸收边波长为），在样品厚度范围内产生分布均匀的非平衡载流子。但是由于短波强吸收光只在样品表面产生非平衡载流子，并在表面处复合掉，故高阻、中阻单晶要用硅或锗滤光片滤去强吸收短波光，以减小表面效应。对于的样品采用余辉时间小于的红外脉冲光源（3次/秒及30次/秒），其光强由发光管两端的电压来调节。 电学系统主要是的高频电源、宽频带前置放大器以及脉冲示波器。要求高频电源内阻小且恒压，放大系统灵敏度高、线性度好，示波器要有一标准的时基线。 将被测样品放在图2的镀银铜电极上，没有光照时，的高频电源送出等幅的高频正弦波，经过镀银铜电极耦合至被测样品，并在其中产生同频率的等幅高频电流（见图3a） 式中，I0为无光照时样品中高频电流的幅值，为圆频率。 当有脉冲光持续照射样品时，半导体中光激发的非平衡载流子使得电导率增加，电阻率减小，流过半导体样品中的高频电流幅值亦增加(见图3b)。设电流增加的幅值等于，则持续光照时样品中的高频电流为一个幅值更高的等幅正弦波 当光照停止时，样品中的非平衡载流子将因为复合而逐渐消失，流过其中的高频电流幅值也会因此而逐渐减小，直到恢复光照前的幅值为止，因此流过样品的电流为一调幅的高频正弦电流（见图3c） 上式表明，光照停止后样品中的高频电流幅值按指数规律衰减，是少数载流子寿命。 因为上述三种情况下的高频电流都流经信号取样电阻R2（见图2），所以光照停止后在信号取样电阻上就得到一个调幅的高频电压 式中V0是无光照时取样电阻上高频电压的幅值，是持续光照时取样电阻上高频电压的幅值比无光照时多出来的那一部分，即幅值的增量，表示高频电压增量以指数规律减少。 在取样电阻上得到的高频调幅波经过检波二极管（D）检波后，滤去高频成分，然后将随时间指数衰减的调幅信号送入前置放大器加以放大后，再送到脉冲示波器的Y偏转板，在一定的扫描频率下显示出少数载流子随时间衰减的波形，由此便可得到少数载流子寿命的大小。 下面进一步分析在高频光电导衰退法中取样电阻上高频电压幅值的指数衰减与少数载流子的衰减是否也有一定的比例关系。我们可以把图2中的高频信号取样回路单独画出来，示于图4。图中、分别为图2高频电源的等效电动势和等效内阻，C为一对镀银铜电极之间的分布电容，L为布线电感，R1为被测样品体电阻，R2为高频电流信号取样电阻。 无光照时，由图4可