1.3非平衡少数载流子寿命的测量.ppt

1.3 非平衡少数载流子寿命的测量 少数载流子寿命是半导体材料的的一个重要的电学参数，不仅可以表征半导体材料的质量，也是还可以评价器件制造过程中的质量控制，如集成电路器件中的金属玷污程度，并可以研究制造器件性能下降的原因。（如太阳电池的转换效率、晶体管的放大倍数、开关管的开关时间等） 一、少数载流子的寿命 1、非平衡载流子的产生 （1）平衡载流子浓度：在一定温度下，处于平衡状态的半导体材料的载流子的浓度时一定的。这种处于热平衡状态下的载流子的浓度称为平衡载流子浓度。表达式如下： 式中N0和p0分别表示平衡电子浓度和空穴浓度 （2）非平衡载流子 如对半导体材料施加外界条件（如光照），破坏了平衡条件，就会偏离热平衡状态，称为非平衡状态。此时载流子浓度就不再是n0和p0，可以比他们多出一部分载流子，这些比平衡状态多出的载流子称为非平衡载流子。 （3）非平衡载流子分为非平衡多数载流子和非平衡少数载流子，对于n型半导体，多出来的电子为非平衡多数载流子，多出的空穴为非平衡少数载流子；对于p型半导体，多出来的空穴为非平衡多数载流子，多出的电子为非平衡少数载流子。 （4）非平衡载流子的产生 产生非平衡载流子的方式：光照、电注入或其他能量传递方式。 如：对n型半导体材料，当没有光照时，电子和空穴的平衡浓度分别为n0和p0，且n0≥ p0.当用适当波长的光照射到该半导体时， 只要光子产生的能量大于该半导体的禁带时，光子就能把价带上的电子激发到导带上，产生电子-空穴对，使导带多一部分电子△n,价带上对一部分空穴△p， △n和△p分别为非平衡多数载流子和非平衡少数载流子。其过程如图所示： 光照产生非平衡载流子的能带结构示意图 在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小很多，如n型材料，△n≤n0, △p≤n0,满足这个条件称小注入。但是即使在小注入的条件下，只要△p≥p0,非平衡少数载流子的影响十分显著。因此往往非平衡少数载流子对材料和器件起着重要的、决定性的作用。通常把非平衡少数载流子简称少数载流子或少子。 2、非平衡少数载流子寿命 当给半导体材料去掉外界条件（停止光照）时，由于净复合的作用，非平衡载流子会逐渐衰减以致消失，最后载流子浓度恢复到平衡状态时的值。但非平衡载流子不是立刻消失，而是由一个过程，即他们在导带和价带有一定的生存时间。这些非平衡少数载流子在半导体内平均存在的时间称为非平衡载流子的寿命，简称少子寿命， 用τ表示。 对于n型半导体，非平衡载流子分别为△n和△p ，通常把单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数称非平衡载流子的复合率， △p/ τ就是复合率。 假定n型半导体在t=0时刻，突然停止光照， △p将会随时间变化，单位时间内非平衡少数载流子浓度的减少为-d△p(t)/dt ，应当等于复合率，即有 小注入时， τ是一个恒量，上式通解为 设t=0, △p(t)= △p0,则有 即非平衡少数载流子寿命的衰减规律成指数衰减，如图所示 非平衡载流子浓度变化衰减曲线 二、少数载流子寿命测试方法及其测试原理 随着半导体材料的应用不断发展，少数载流子寿命测试技术也在不断发展，从早期体材料的接触式测量，逐渐发展到片状材料的无破坏式、无接触式和无污染的在线检测，有利于其在生产中的广泛应用。方法也多种多样。 1、测试方法 （1）瞬态法或直接法（光电导衰退法、表面光电压法等） （2）稳态法或间接法（扩散长度法、光磁法等） 瞬态法：利用电脉冲或光脉冲的一种方式，从半导体内激发出非平衡载流子，调制了半导体内的电阻，通过测量体电阻或样品两端电压的变化规律直接观察半导体材料中的非平衡少数载流子的衰减过程，从而测量其寿命。 稳态法：利用稳态光照的方法，使半导体材料中非平衡载流子的分布达到稳定状态，然后测量半导体中某些与寿命有关的物理量（如扩散长度）来推算少子的寿命。 三、光电导衰退法 1、直流光电导衰退法 （1）如图所示为直流光电导衰退法测量少子寿命的装置（如下图所示），必须满足以下几个条件: A、样品内的电场强度： B、RL≤20R,保证电流I恒定。 C、直流电源和RL为可调。 （2）基本原理：如上图所示 样品上无光照时，样品内无非平衡载流子，样品两端电压为： （1-2-1） 若给样品光照，样品中产生了非平衡载流子，引起点导增加，电阻下降，引起样品两端的电压也发生变化。则有 （1-2-2） 则有