少数载流子寿命测试
半导体少子寿命测量实验
半导体少子寿命测量实验实验：半导体少子寿命的测量一．实验的目的与意义非平衡少数载流子（少子）寿命是半导体材料与器件的一个重要参数。
其测量方法主要有稳态法和瞬态法。
高频光电导衰退法是瞬态测量方法，它可以通过直接观测少子的复合衰减过程测得其寿命。
通过采用高频光电导衰退法测量半导体硅的少子寿命，加深学生对半导体非平衡载流子理论的理解，使学生学会用高频光电导测试仪和示波器来测量半导体少子寿命。
二．实验原理半导体在一定温度下，处于热平衡状态。
半导体内部载流子的产生和复合速度相等。
电子和空穴的浓度一定，如果对半导体施加外界作用，如光、电等，平衡态受到破坏。
这时载流子的产生超过了复合，即产生了非平衡载流子。
当外界作用停止后，载流子的复合超过产生，非平衡少数载流子因复合而逐渐消失。
半导体又恢复平衡态。
载流子的寿命就是非平衡载流子从产生到复合所经历的平均生存时间，以τ来表示。
下面我们讨论外界作用停止后载流子复合的一般规律。
当以恒定光源照射一块均匀掺杂的n 型半导体时，在半导体内部将均匀地产生非平衡载流子Δn 和Δp 。
设在t=0时刻停止光照，则非平衡载流子的减少-d Δp /dt 应等于非平衡载流子的复合率Δp （t ）/τ。
1/τ为非平衡载流子的复合几率。
即：()τt p dt p d ?=?- （1-1）在小注入条件下，τ为常量，与Δp （t ）无关，这样由初始条件：Δp （0）=（Δp ）0可解得：()τt e p t p -?=?0 （1-2）由上式可以看出：1、非平衡载流子浓度在光照停止后以指数形式衰减，Δp （∝）=0,即非平衡载流子浓度随着时间的推移而逐渐消失。
2、当t=τ时，Δp （τ）=（Δp ）0/e 。
即寿命τ是非平衡载流子浓度减少到初始值的1/e 倍所经过的时间。
因此，可通过实验的方法测出非平衡载流子对时间的指数衰减曲线，由此测得到少子寿命值τ。
图1-1 高频光电导衰退法测量原理图高频光电导衰减法测量原理如图1-1所示。
少数载流子寿命测试
第三章：少数载流子寿命测试少数载流子寿命是半导体材料的一个重要参数，它在半导体发展之初就已经存在了。
早在20世纪50年代，Shockley 和Hall等人就已经报道过有关少数载流子的复合理论[1-4]，之后虽然陆续有人研究半导体中少数载流子的寿命，但由于当时测试设备简陋，样品制备困难，尤其对于测试结果无法进行系统地分析。
因此对于少数载流子寿命的研究并没有引起广泛关注。
直到商业需求的增加，少数载流子寿命的测试才重新引起人们的注意。
晶体生产厂家和IC集成电路公司纷纷采用载流子寿命测试来监控生产过程，如半导体硅单晶生产者用载流子寿命来表征直拉硅单晶的质量，并用于研究可能造成质量下降的缺陷。
IC集成电路公司也用载流子寿命来表征工艺过程的洁净度，并用于研究造成器件性能下降的原因。
此时就要求相应的测试设备是无破坏，无接触，无污染的，而且样品的制备不能十分复杂，由此推动了测试设备的发展。
然而对载流子寿命测试起重要推动作用的，是铁硼对形成和分解的发现[5,6]，起初这只是被当作一种有趣的现象，并没有被应用到半导体测试中来。
直到Zoth 和Bergholz发现，在掺B半导体中，只要分别测试铁硼对分解前后的少子寿命，就可以知道样品中铁的浓度[7]。
由于在现今的晶体生长工艺中，铁作为不锈钢的组成元素，是一种重要的金属沾污，对微电子器件和太阳能电池的危害很严重。
通过少数载流子寿命测试，就可以得到半导体中铁沾污的浓度，这无疑是一次重大突破，也是半导体材料参数测试与器件性能表征的完美结合。
之后载流子寿命测试设备迅速发展。
目前，少数载流子寿命作为半导体材料的一个重要参数，已作为表征器件性能，太阳能电池效率的重要参考依据。
然而由于不同测试设备在光注入量，测试频率，温度等参数上存在差别，测试值往往相差很大，误差范围可能在100％，甚至以上，因此在寿命值的比较中要特别注意。
概括来说，少数载流子寿命的测试及应用经历了一个漫长的发展阶段，理论上，从简单的载流子复合机制到考虑测试结果的影响因素。
半导体中少数载流子寿命测量
v
示波器
o G
t
实验电路图
实验中使用的脉冲信号
平衡态
空穴 (positive)
内建电场
扩散流
电子(negative)
P
漂移流
N
当外加电压为零时，PN结处于平衡状态. PN结中有效电流为零。由载 流子分布不同造成的扩散电流与PN结边界外累积电荷所形成的内建场 产生的漂移电流抵消。
正向注入
内建电场
Ir
使用这个假定可以通过一次测量得到半导体中的少数载 流子寿命，而且准确度也比较好，如果要想更加准确的 得到半导体中少数载流子的寿命，必须考虑内部剩余电 荷的影响，可以解得（b为常数）Ts *[ln(1 I f / I r ) b]
实验结果
忽略内部载流子的分布，得到的实验结果：单位（ns）
(4)在实验过程中，取样电阻必须保持不变，否则会引起 很大的偏差，这是由连续性方程决定的。而且取样电阻 的选取必须保证二极管不会被击穿。
如何消除过冲?
使用同轴电缆进行测量即可消除过冲，而且增加了实验 的可靠度。
课题的结果
初步探究了各种参数对于少子寿命测量结果的影响以
及如何选取参数
对于设计性实验课程的体会
在抽取过程中,反向电流为 J J 0 (eqV / kT 1) 当反向电压V >> kT/q, 此时抽取电流 J 近似等于J0. 在边界处累积电荷没有被抽取完之前，电路中近似存在一个恒定电 流。当边界电荷被抽取完之后，内部电荷产生的复合电流呈指数衰减。
If
Ts
Ir
Tr
实验结果
如果不考虑内部少数载流子的分布，只考虑边界处累积 电荷的抽取，通过解连续性方程可以得到：Ts / ln(1 I f )
少子寿命测量
高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命预习报告：一，什么是少子寿命？少子，即少数载流子。
少子寿命指少子的平均生存时间，寿命标志少子浓度减少到原值的1/e 所经历的时间。
少数载流子寿命是与半导体中重金属含量、晶体结构完整性直接有关的物理量。
它对半导体太阳电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率等都有影响。
二，如何测量少子寿命？测量非平衡少数载流子寿命的方法有许多种，分别属于瞬态法和稳态法两大类。
本实验采用高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命。
三，实验原理：当能量大于半导体禁带宽度的光照射样品时，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（∆n ）和空穴(∆p)的浓度相等，它们的寿命也就相同。
样品电导率的增加与少子浓度的关系为n q p q n p ∆+∆=∆μμσ当去掉光照，少子密度将按指数衰减，即τtep -∝∆，因此导致电导率为τσte-∝∆。
高频源提供的高频电流流经被测样品，当红外光源的脉冲光照射样品时，单晶体内产生的非平衡光生载流子使样品产生附加光电导，从而导致样品电阻减小。
由于高频源为恒压输出，因此流经样品的高频电流幅值增加∆I ，光照消失后，∆I 逐渐衰减，其衰减速度取决于光生载流子在晶体内存在的平均时间，即寿命。
在小注入条件下，当光照区复合为主要因素时，∆I 将按指数规律衰减，此时取样器上产生的电压变化∆V 也按同样的规律变化，即τte V V -∆=∆0图2指数衰减曲线一，Si.t∆V~t 曲线:（一）（二）（三）计算少子寿命：电压满足τteV V -∆=∆0，在测量数据中，由于时间原点的不同选择，t 的绝对值不同，但是相对值相同。
任选两个点（ ）,（ ），有，，两式相除，得。
对第一组数据，取（4.26E-5s，0.298V），（8.06E-5s,0.094V）。
利用上述公式得。
对第二组数据，取（4.44E-5s，0.622V），（7.44E-5s，0.222V）。
太阳能电池用多晶硅材料少数载流子寿命的测试
太阳能电池用多晶硅材料少数载流子寿命的测试邵铮铮;李修建;戴荣铭【摘要】The minority carrier lifetime in p-typed polycrystalline silicon used for solar cells was tested by the high frequency photoconductivity decay method,and the influence of photo injection intensity on the testing re-sult was analyzed in detail. The results show that the decay curve is not exponential damping in a wide area near the peak point,until the signal fade down to lower than half value. In addition,the measured value of the minority carrier lifetime is reduced when reinforcing the photo injection intensity. Based on the surface recom-bination effect and grain boundary recombination effect of the non-equilibrium carriers, we interpreted this physical phenomenon appropriately.%采用高频光电导衰退法测试了太阳能电池用p型多晶硅片的少数载流子寿命，细致分析了光注入强度对测试结果的影响。
结果显示光电导衰减曲线在靠近尖峰处较宽的时间区域内并按非指数规律快速衰减，当信号衰减到一定程度后逐渐接近指数规律，且随着光注入强度增大，少子寿命的测量结果显著减小。
少子寿命实验报告
一、实验目的1. 了解光电导法测试少数载流子寿命的原理。
2. 熟练掌握LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法。
3. 测量非平衡载流子的寿命。
二、实验原理少子寿命是指半导体材料中少数载流子的平均生存时间。
在半导体器件中，少数载流子的寿命对器件的性能具有重要影响。
光电导衰减法是测量少数载流子寿命的一种常用方法。
其原理是在样品上施加一定频率的高频电场，使样品中的载流子产生振荡，从而产生光电导现象。
通过测量光电导衰减曲线，可以计算出少数载流子的寿命。
三、实验仪器与材料1. 仪器：LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪、样品测试夹具、示波器、信号发生器、频率计、稳压电源等。
2. 材料：样品（如硅单晶、锗单晶等）、光注入源、腐蚀液、钝化液等。
四、实验步骤1. 准备样品：将样品进行清洗、切割、抛光等处理，使其表面光滑、平整。
2. 设置实验参数：根据样品类型和测试要求，设置合适的测试频率、测试时间等参数。
3. 连接仪器：将样品夹具、信号发生器、示波器、频率计、稳压电源等仪器连接好，确保连接正确、牢固。
4. 光注入：使用光注入源对样品进行光注入，产生非平衡载流子。
5. 测量光电导衰减曲线：打开测试仪，记录光电导衰减曲线。
6. 数据处理：对光电导衰减曲线进行拟合，计算少数载流子的寿命。
五、实验结果与分析1. 光电导衰减曲线：实验测得的光电导衰减曲线如图1所示。
图1 光电导衰减曲线2. 少子寿命计算：根据光电导衰减曲线，拟合得到少数载流子的寿命为5.6×10^-6 s。
3. 影响因素分析：（1）样品材料：不同材料的样品，其少子寿命不同。
例如，硅单晶的少子寿命一般比锗单晶长。
（2）样品制备：样品的制备过程对少子寿命有较大影响。
如样品表面粗糙度、杂质浓度等都会影响少子寿命。
（3）光注入强度：光注入强度越大，产生的非平衡载流子越多，从而影响少子寿命。
（4）测试参数：测试频率、测试时间等参数对少子寿命的测量结果有一定影响。
实验二 光电导衰退测量少数载流子的寿命
实验二光电导衰退测量少数载流子的寿命实验项目性质：综合实验所涉及课程：半导体物理、半导体材料计划学时：2学时一、实验目的1．理解非平衡载流子的注入与复合过程；2．了解非平衡载流子寿命的测量方法；2．学会光电导衰退测量少子寿命的实验方法。
二、实验原理半导体中少数载流子的寿命对双极型器件的电流增益、正向压降和开关速度等起着决定性作用。
半导体太阳能电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率也和载流子的寿命有关。
因此，半导体中少数载流子寿命的测量一直受到广泛的重视。
处于热平衡状态的半导体，在一定的温度下，载流子浓度是一定的，但这种热平衡状态是相对的，有条件的。
如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。
处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0，可以比它们多出一部分。
比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称为过剩载流子。
要破坏半导体的平衡态，对它施加的外部作用可以是光，也可以是电或是其它的能量传递方式。
常用到的方式是电注入，最典型的例子就是PN结。
用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法，称为非平衡载流子的光注入，光注入时，非平衡载流子浓度Δn=Δp。
当外部的光注入撤除以后，注入的非平衡载流子并不能一直存在下去，它们要逐渐消失，也是原来激发到导带的电子又回到价带，电了和空穴又成对的消失了。
最后，载流子浓度恢复到平衡时的值，半导体又回到平衡态，过剩载流子逐渐消失，这一过程称为非平衡载流子的复合。
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τ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。
少子寿命测试实验报告
少子寿命测试实验报告一、实验目的和任务1、了解光电导法测试少数载流子寿命的原理，熟练掌握LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法；2、测非平衡载流子的寿命。
二、实验原理处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的。
这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。
半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。
如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。
处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度不再是X和X，可以比它们多出一部分。
比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称过剩载流子。
寿命的全称是非平衡少数载流子寿命，它的含意是单晶在受到如光照或点触发的情况下会在表面及体内产生新的（非平衡）载流子，当外界作用撤消后，它们会通过单晶体内由重金属杂质和缺陷形成的复合中心逐渐消失，杂质、缺陷愈多非平衡载流子消失得愈快，在复合过程中少数载流子起主导和决定的作用。
这些非平衡少数载流子在单晶体内平均存在的时间就简称少子寿命。
通常寿命是用实验方法测量的。
各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。
最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多。
不同的注入和检测方法的组合就形成了许多寿命测量方法。
三、实验设备本实验采用LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪。
该仪器灵敏度高，配备有红外光源，可测量包括集成电路级硅单晶在内的各种类型硅单晶及常用的晶体管级锗单晶。
该仪器根据国际通用方法—高频光电导衰退法的原理设计，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。
整机结构紧凑，测量数据准确、可靠。
四、实验结论实验通过测电压间接的少子寿命指少子的平均生存时间，寿命标志少子浓度减少到原值的1/e所经历的时间，实验中便通过测量最高点电压减少到原值的1/e所经历的时间，与最高点多少无关；当样品含有重金属且存在缺陷时，会产生杂质能级，成为少子的复合中心，从而寿命降低。
太阳能电池用多晶硅材料少数载流子寿命的测试
材料时， 价 带上 的 电子 就有 可能 被 激 发 到 导 带 能 级上 ， 使得 导带 电子 及价 带空 穴数 目增 加 ， 半 导 体
材 料 的 电导 率 发 生 变 化 ， 形 成 光 电 导 现象 。假 设
几 ０和 Ｐ 。 分别 表 示 光 照 前平 衡 状 态 下 的 电子 和 空 穴 浓度 ， △ ｎ、 Ａ ｐ表 示 由于 光 照 新 产 生 的 电子 和
中 图分 类号 ： Ｔ Ｎ ３ ０ ４
多 晶硅是 生 产单 晶硅 的直 接 原料 ， 也 是 一 种
极 为重 要 的优 良半 导 体 材 料 ， 在 半 导体 器 件 和 太
阳能 电池 方面有 着很 大 的需求 。多 晶硅太 阳电池
１ 光 电导 衰 退 法 测 量 少 子 寿 命 的实 验 原 理
空穴 浓度 ， 则在光照情况下载流子的浓度变为 凡 ＝凡 。＋△ｎ， Ｐ ＝Ｐ 。＋Ａ ｐ。假 如半导 体材 料 是本 征 的， 或半 导体 材 料 中 的施 主和 受 主 已经饱 和 电 离， 则有 △ ｎ ＝△ ｐ。 光 注入 引起 非平 衡 载流子 后 由于 载流 子 的浓
高＿ ２ 引。但 是 ， 多 晶硅 中存 在大 量 的微 缺 陷 ， 以及 较 多 的铜 、 铁、 镍 等金 属 杂 质 ， 这些 微 缺 陷 和金 属 杂质形 成 一些深 能 级 ， 成 为 光 生 非平 衡 载 流 子 的
太 阳 能 电池 用 多 晶 硅 材 料 少 数 载 流 子 寿 命 的测 试
邵铮铮 ， 李修 建 ， 戴 荣铭
（ 国防科技大学 ， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ ７ ３ ）
摘
1.少子寿命测试及微波光电导衰退法
钝化前和钝化后的少子寿命值，图 1.1 作出了钝化前和钝化后的趋势。
表 1.3 钝化前和钝化后的少子寿命（单位为μs）
1 钝化前 钝化后 1.60 4.67
2 1.48 4.53
3 1.53 4.72
4 1.49 4.49
5 1.47 4.57
6 1.51 4.63
钝化前和钝化后少子寿命测试结果比较
表 1.1 几种少子寿命的测试技术
少子注入方式
测试方法 直流光电导衰退 表面电压法 交流光电流的相位 微波光电导衰减法 红外吸收法 电子束激励电流（SEM）
测定量 τ L（τB） τB τ τ τB，S
测量量范围 τ﹥10 s 1<L<500μm τB﹥10-8s τ﹥10-7s τ﹥10-5s τ﹥10-9s
-7
特性 τ的标准测试方法 吸收系数α值要精确 调制广的正弦波 非接触 非接触法光的矩形波 适于低阻
光注入
电子束
微波光电导衰退法测试少子寿命，包括光注入产生电子-空穴对和微波探测信号的变化 两个过程。激光注入产生电子-空穴对，样品电导率的增加，当撤去外界光注入时，电导率 随时间指数衰减， 这种趋势反映了少子的衰减趋势， 则可以通过观测电导率随时间变化的趋 势可以测少子的寿命。 而微波信号时探测电导率的变化， 依据微波信号的变化量与电导率的 变化量成正比的原理。 微波光电导衰减法（如 WT-1000B 少子寿命测试仪）测试的是半导体的有效寿命，实际 上包括体寿命和表面寿命。 测试少子寿命可有下式表示：
B
D=（4.63-1.56）=3.07。即，y=x+3.07，则设置后测试结果接近体寿命。 这样只是简单设置，要想得到更接近的值，需要做大量的实验和数据，统计结果，分 析后会得到更为接近体寿命的系数及数值。
半导体物理实验——高频光电导法测少子寿命
实验报告一、实验目的和任务1、了解光电导法测试少数载流子寿命的原理，熟练掌握LT-2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法；2、测非平衡载流子的寿命。
二、实验原理处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的。
这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。
半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。
如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。
处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度不再是n0和p0，可以比它们多出一部分。
比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称过剩载流子。
图3.1 光注入引起附加光电导寿命的全称是非平衡少数载流子寿命，它的含意是单晶在受到如光照或点触发的情况下会在表面及体内产生新的（非平衡）载流子，当外界作用撤消后，它们会通过单晶体内由重金属杂质和缺陷形成的复合中心逐渐消失，杂质、缺陷愈多非平衡载流子消失得愈快，在复合过程中少数载流子起主导和决定的作用。
这些非平衡少数载流子在单晶体内平均存在的时间就简称少子寿命。
图3.2 非平衡载流子随时间指数衰减曲线通常寿命是用实验方法测量的。
各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。
最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多。
不同的注入和检测方法的组合就形成了许多寿命测量方法。
三、实验设备本实验采用LT-2高频光电导少数载流子寿命测试仪。
该仪器灵敏度高，配备有红外光源，可测量包括集成电路级硅单晶在内的各种类型硅单晶及常用的晶体管级锗单晶。
该仪器根据国际通用方法—高频光电导衰退法的原理设计，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。
整机结构紧凑，测量数据准确、可靠。
图3.7 单晶少子寿命测试仪和示波器连接示意图四、实验结论实验通过测电压间接的少子寿命指少子的平均生存时间，寿命标志少子浓度减少到原值的1/e所经历的时间，实验中便通过测量最高点电压减少到原值的1/e所经历的时间，与最高点多少无关；当样品含有重金属且存在缺陷时，会产生杂质能级，成为少子的复合中心，从而寿命降低。
半导体非平衡少数载流子寿命的测量
半导体非平衡少数载流子寿命的测量余意 编写实验教学目的：1、学习常见半导体非平衡载流子产生的方式；2、了解常用的非平衡载流子寿命测量的方法；3、学习用高频光电导衰减法测量单晶硅的非平衡载流子寿命的原理步骤；4、掌握LT-2型单晶少子寿命测试仪的工作原理、构造及其使用方法。
学生实验内容：1、利用LT-2型单晶少子寿命测试仪测量单晶硅少数载流子寿命。
实验教学仪器：LT-2型单晶少子寿命测试仪，数字示波器，电线，单晶硅等。
实验教学课时：4学时（其中讲授及演示1学时，学生实验及指导3学时）实验教学方式：理论讲授、指导学生实验，以指导为主，培养学生动手操作能力、独立思考能力和创新能力。
教学重点：高频光导衰减法测量半导体少数载流子寿命的原理和实验操作步骤。
实验教学内容：一、实验原理原理1、非平衡载流子的概念及其产生非简并半导体在热平衡条件下，温度和掺杂浓度一定时，多子与少子的浓度均具有确定的值。
根据半导体物理学相关知识可知，热平衡下的半导体载流子浓度满足以下关系：然而，所谓的热平衡时相对的，是有条件的。
如果对半导体施加外界作用，破坏了了热平衡条件，这就迫使它处于与热平衡状态 想偏离的状态，成为非平衡态。
此时，半导体内的载流子浓度也发生了变化，各自比原来多出了一部分，这种比平衡时多多出来的这部分成为非平衡载流子，也称为过剩载流子。
常见产生非平衡载流子的方式是对半导体进行光照或者外接电压。
两种方法产生非平衡载流子的方法分别称为光注入和电注入。
对n 型半导体，n 称为多数载流子浓度，Δn 被称为非平衡多数载流子浓度；p 称为少数载流子浓度，Δp 被称为非平衡少数载流子浓度。
对p 型半导体相反。
2、非平衡载流子的寿命当外界产生非平衡载流子的条件撤去之后，由于所产生非平衡载流子经过与半导体内部异性载流子相复合而逐渐的减少，此过程是在一定时间内完成的，换句话说非平衡载流子在外加条件消失后具有一定长度的生存时间，而并不是立即消失。
半导体中少数载流子寿命测量
讨论
如何选取合适的实验条件? 实验中共有四个可调参数，取样电阻、正向脉冲电压、 负向脉冲电压、脉冲频率。实验中，这些参数的选取必 须受到一定的限制
(1) 正向电压要足够大（大于1.8V）使得正向载流子注 入达到饱和；但是也不能太大，否则就不满足小注 入条件。
(2) 反向电压不能太大（二极管两端小于1.3V),否则会造 成存储时间很短，影响测量精度。
课题的结果
初步探究了各种参数对于少子寿命测量结果的影响以 及如何选取参数
对于设计性实验课程的体会
自由的选题，可以用一个学期时间来做自己想做的、 有意思的课题，不必拘泥于时间的限制
独立进行科研的能力，在没有标准答案的情况下思考 问题
综合能力的培养：自学未知的领域、查阅文献、整理 实验结果、与学长及导师的交流和沟通、论文写 作……
(3) 脉冲时间要足够长（频率一般小于100kHz），否则正 向注入或者反向抽取都不能达到饱和。
(4)在实验过程中，取样电阻必须保持不变，否则会引起 很大的偏差，这是由连续性方程决定的。而且取样电阻 的选取必须保证二极管不会被击穿。
如何消除过冲?
使用同轴电缆进行测量即可消除过冲，而且增加了实验 的可靠度。
Ir
实验结果
如果不考虑内部少数载流子的分布，只考虑边界处累积
电荷的抽取，通过解连续性方程可以得到：Ts
/
ln(1
If Ir
)
使用这个假定可以通过一次测量得到半导体中的少数载 流子寿命，而且准确度也比较好，如果要想更加准确的 得到半导体中少数载流子的寿命，必须考虑内部剩余电
荷的影响，可以解得（b为常数）Ts *[ln(1 I f / Ir ) b]
实验结果
忽略内部载流子的分布，得到的实验结果：单位（ns）
晶体硅少数载流子寿命测定
晶体硅少数载流子寿命测定光电导衰减法本方法仅限于浙江协成硅业有限公司使用一、方法原理在两端面为研磨表面并具有欧姆接触的单一导电性号的半导体单晶试样上通一直电流，用示波器观察试样上的电压降。
对试样施一脉冲光，在试样中产生非平衡少数载流子，同时触发示波器扫描。
从脉冲光停止起电压衰减的衰减常数可由示波器扫描测得。
当试样中电导率调幅非常小时，所观察到的电压衰减等价于光生载流子的衰减，因此电压衰减的时间常数就等于非平衡少数载流子衰减的时间常数，少数载流子寿命即由该时间系数确定，用以下公式表示。
必要时，应消除缺陷效应和对表面复合及过量电导率调幅进行修正。
△V=△V oexp(-t/てF )式中：△V ——光电导电压，单位为伏特（V）；△V o ——光电导电压的峰值或初始值，单位为伏特（V）；t ——时间，单位为微秒（µs）；てF ————表观寿命，单位为微秒（µs）。
二、测量步骤1、高频光电导的使用1.1、开机前检查电源开关、电源开关是否处于关断状态：“0”处于低位，“1”在高位——关闭状态用随机配置的信号线连接。
拧紧寿命仪背板的保险管帽，插好电源线。
1.2、打开寿命仪电源开关即将电源开关“1”按下，此时“1”处于低位，“0”处于高位。
开关指示灯亮。
先在铂电极尖端点上两滴直来水，后将单晶放在电极上准备测量。
1.3开启脉冲官员开关光脉冲发生器为双电源供电，先按下光源“1”，此时“1”在低位，“0”在高位，寿命仪内脉冲发生器开始工作。
在顺时针方向拧响带开关电位器（光强调节），此时光强指示数字表在延时十秒左右（储能电容完成充电）数值上升。
测量数千欧姆·厘米的高阻单晶时，光强电压只要用到5V左右；测量数十欧姆·厘米的单晶可将电压加到10V左右。
测量几欧姆·厘米的单晶可将电压加到15V左右。
光强调节电位器顺时针方向旋转，脉动光源工作电压升高，光强增强，最高可调到20V，此时流经发光管的电流高达20A，因此不能在此条件下长期工作。
硅单晶少数载流子寿命测试规定
洛阳中岳实业有限公司硅单晶少数载流子寿命测试规定1.范围和目的1.1适用范围：适用于本公司多晶拉制成单晶及磷检后单晶的测定1.2目的：1.2.1 通过对少数载流子的测定来断定多晶产品质量的好坏1.2.2 通过测定对工艺生产进行指导1.2.3寿命值可灵敏地反映单晶体重金属污染及缺陷存在的情况，是单晶质量的重要检测项目2.引用标准：GB/T1553-1997 硅和锗体内少数载流子寿命测定光电导衰法3.测试原理：高频源提供高频电流经测试样品，但红外脉冲光照射样品时，单晶体内产生非平衡光生载流子，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，因此，流过样品的高频电流幅值，此时增加I，光照消失后，I便逐渐衰退，其衰退速度取决于光生非平衡载流子在晶体内存在的平均时间（寿命值）。
I按指数衰减，在取样器上产生的电压变化V，也按同样指数衰减。
此信号经经检波器调和和高频滤波，再经宽频放大后输入到脉冲示波器，在示波器上显示出一条指数衰减曲线，对照标准曲线，可读出样品少数载流子寿命。
4.仪器设备及测试指标4.1 仪器4.1.1 DSY-Ⅱ型单晶寿命测试仪4.1.2 GOS-620型双轨迹示波器4.2 测试指标4.2.1 测试单晶电阻率下限：硅单晶：3-10欧·厘米4.2.2 可测单晶寿命：10µS-5000µS4.2.3 Φ25mm-Φ125mm L2 mm-50 mm4.2.4 样品切面光滑，无刀痕，且经喷砂处理，表面干燥，无污染、变色。
5 测试步奏5.1开机：打开寿命仪电源总开关，打开示波器电源开关，仪器预热10分钟5.2 用棉签沾自来水涂抹测试电极，将测试样品喷砂面放上并使其与电极均匀接触。
如样品太轻接触不好，可用重物压上样品。
5.3 打开红外光源开关，调节红外光源输出电压,调节示波器亮度选择合适的亮度，调节聚焦旋钮聚焦。
5.4 调节示波器上扫描时间，垂直衰减电压，波线位置，触发准位，触发模式旋钮，尽量使示波器上衰减曲线与标准曲线对照卡上的一致，5.5 将标准曲线卡对上示波器上的衰减曲线，示波器上衰减曲线与标准曲线对照上X轴上相交，数出X轴上相交格数，乘上扫描时间旋钮所在档位。
少数载流子寿命测试
第三章：少数载流子寿命测试少数载流子寿命是半导体材料的一个重要参数，它在半导体发展之初就已经存在了。
早在20世纪50年代，Shockley 和Hall等人就已经报道过有关少数载流子的复合理论[1-4]，之后虽然陆续有人研究半导体中少数载流子的寿命，但由于当时测试设备简陋，样品制备困难，尤其对于测试结果无法进行系统地分析。
因此对于少数载流子寿命的研究并没有引起广泛关注。
直到商业需求的增加，少数载流子寿命的测试才重新引起人们的注意。
晶体生产厂家和IC集成电路公司纷纷采用载流子寿命测试来监控生产过程，如半导体硅单晶生产者用载流子寿命来表征直拉硅单晶的质量，并用于研究可能造成质量下降的缺陷。
IC集成电路公司也用载流子寿命来表征工艺过程的洁净度，并用于研究造成器件性能下降的原因。
此时就要求相应的测试设备是无破坏，无接触，无污染的，而且样品的制备不能十分复杂，由此推动了测试设备的发展。
然而对载流子寿命测试起重要推动作用的，是铁硼对形成和分解的发现[5,6]，起初这只是被当作一种有趣的现象，并没有被应用到半导体测试中来。
直到Zoth 和Bergholz发现，在掺B半导体中，只要分别测试铁硼对分解前后的少子寿命，就可以知道样品中铁的浓度[7]。
由于在现今的晶体生长工艺中，铁作为不锈钢的组成元素，是一种重要的金属沾污，对微电子器件和太阳能电池的危害很严重。
通过少数载流子寿命测试，就可以得到半导体中铁沾污的浓度，这无疑是一次重大突破，也是半导体材料参数测试与器件性能表征的完美结合。
之后载流子寿命测试设备迅速发展。
目前，少数载流子寿命作为半导体材料的一个重要参数，已作为表征器件性能，太阳能电池效率的重要参考依据。
然而由于不同测试设备在光注入量，测试频率，温度等参数上存在差别，测试值往往相差很大，误差范围可能在100％，甚至以上，因此在寿命值的比较中要特别注意。
概括来说，少数载流子寿命的测试及应用经历了一个漫长的发展阶段，理论上，从简单的载流子复合机制到考虑测试结果的影响因素。
单晶少子寿命测试
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5.思考练习
• 1、为什么要在样品上涂抹少量自来 水？ • 2、在实际工艺中如何延长少子寿命？
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3.仪器介绍
• LT-2型单晶寿命测试仪
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前面板说明
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后面板说明
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主机承片台：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。
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4.实验内容
• 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
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• （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。
单晶少数载流子寿命测试
实验目的 实验原理 仪器介绍
实验内容
思考练习
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1.实验目的
理解单晶少数载流子寿命的测试原理； 掌握单晶少数载流子寿命的测试方法。
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1.3 非平衡少数载流子寿命的测量
式中，△p为激发的非平衡载流子浓度 将以上两式代入（1-3-6），则有 （1-3-8）
令
则有
（1-3-9）
由上式可知，在满足小注入的条件下，样品两端电 压的衰减规律与产生的少子衰减规律相同。
（3）直流光电导衰退法的优缺点 优点： 1）测量准确度高 2) 测量下限比较低（几个μs）
2)对仪器的要求
①脉冲光源
a、要求有一定强度的脉冲光，但又不能过大， b、脉冲光的关断时间要短， c、闪光频率为1-5次/s；
②示波器和放大器的要求：
a、放大器的垂直偏转度应经校准为2cm/mv. b、垂直增益和偏转的线性应在3%内。 c、 上升时间不大于0.2S。
（2）测试原理 如图所示，为高频光电导衰退法测试的有效电路。
当无光照时，高频电磁场（30MHz)的作用，由高 频源流经样品，电阻R2的电流：
当样品受到光照时，样品中产生非平衡载流子，其 电导率增加，电阻减小，因此样品两端的高频电压 下降，因此高频电流的幅值增加。则有
当光照停止后，非平衡少数载流子按指数衰减，逐 渐复合而消失，直到回到无光照时的状态，此过程 中电流时一个调幅波，有
表面复合影响较大时，非平衡载流子的衰减偏离指数曲线， 测量的寿命比实际寿命值要短，所以一个按以上公式进行修 正。
增加表面复合作用的影响因素 a） 对表面进行研磨或喷砂； b）样品的尺寸和形状：样品越小，即其比表面积 越大，表面复合作用的影响也越大
因此为了测量准确： a）要求尽量使用较大尺寸的样品测量，减小比表 面积 b）测量时，使用带有滤光片的贯穿光，光源波长 约1.1μm,以减少少数载流子的影响
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第三章：少数载流子寿命测试少数载流子寿命是半导体材料的一个重要参数，它在半导体发展之初就已经存在了。
早在20世纪50年代，Shockley 和Hall等人就已经报道过有关少数载流子的复合理论[1-4]，之后虽然陆续有人研究半导体中少数载流子的寿命，但由于当时测试设备简陋，样品制备困难，尤其对于测试结果无法进行系统地分析。
因此对于少数载流子寿命的研究并没有引起广泛关注。
直到商业需求的增加，少数载流子寿命的测试才重新引起人们的注意。
晶体生产厂家和IC集成电路公司纷纷采用载流子寿命测试来监控生产过程，如半导体硅单晶生产者用载流子寿命来表征直拉硅单晶的质量，并用于研究可能造成质量下降的缺陷。
IC集成电路公司也用载流子寿命来表征工艺过程的洁净度，并用于研究造成器件性能下降的原因。
此时就要求相应的测试设备是无破坏，无接触，无污染的，而且样品的制备不能十分复杂，由此推动了测试设备的发展。
然而对载流子寿命测试起重要推动作用的，是铁硼对形成和分解的发现[5,6]，起初这只是被当作一种有趣的现象，并没有被应用到半导体测试中来。
直到Zoth 和Bergholz发现，在掺B半导体中，只要分别测试铁硼对分解前后的少子寿命，就可以知道样品中铁的浓度[7]。
由于在现今的晶体生长工艺中，铁作为不锈钢的组成元素，是一种重要的金属沾污，对微电子器件和太阳能电池的危害很严重。
通过少数载流子寿命测试，就可以得到半导体中铁沾污的浓度，这无疑是一次重大突破，也是半导体材料参数测试与器件性能表征的完美结合。
之后载流子寿命测试设备迅速发展。
目前，少数载流子寿命作为半导体材料的一个重要参数，已作为表征器件性能，太阳能电池效率的重要参考依据。
然而由于不同测试设备在光注入量，测试频率，温度等参数上存在差别，测试值往往相差很大，误差范围可能在100％，甚至以上，因此在寿命值的比较中要特别注意。
概括来说，少数载流子寿命的测试及应用经历了一个漫长的发展阶段，理论上，从简单的载流子复合机制到考虑测试结果的影响因素。
应用上，从单纯地用少子寿命值作为半导体材料的一个参数，到把测试结果与半导体生产工艺结合起来考虑。
测试设备上，从简陋，操作复杂到精密，操作简单，而且对样品无接触，无破坏，无污染。
在本章中，我们将首先介绍少子寿命测试的基本原理，然后在此基础上具体介绍目前正在使用的几种测试技术，这其中将重点介绍微波光电导衰退法测试技术及其在半导体中的应用。
3.1 少子寿命测试基本原理3.1.1 非平衡载流子的产生我们知道，处于热平衡状态下的半导体，在一定温度下，载流子的浓度是一定的，这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。
一般用n 0和p 0分别表示平衡电子浓度和空穴浓度。
00exp()C F c E E n N k T-=- (3-1) 00exp()V F v E E p N k T-= (3-2) 其中*3/203(2)2n c m k T N hπ=*3/203(2)2p v m k T N h π= 在非简并的情况下，它们的乘积满足以下条件：2000exp()gc v i E n p N N n k T =-= (3-3)本征载流子浓度i n 只是温度的函数，在非简并情况下，无论掺杂多少，非平衡载流子浓度0n 和0p 必定满足式(3-3)，因而它是非简并半导体处于热平衡状态的判据式。
然而，半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。
如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。
此时载流子浓度不再是n 0，p 0，可以比它们多出一部分。
比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
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，例如对于n 型半导体材料，多出来的电子就是非平衡多数载流子，空穴则是非平衡少数载流子。
对p 型半导体材料则相反。
产生非平衡载流子的方法很多，可以是光，也可以是电或其它能量传递的方式。
例如对于n 型半导体，当没有光照时，电子和空穴浓度分别是n 0和p 0，且n 0≥p 0。
当用适当波长的光照射该半导体时，只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度，光子就能够把价带上的电子激发到导带上去，产生电子空穴对，使导带比平时多处一部分电子△n ，价带比平时多出一部分空穴△p ，△n 和△p 分别是非平衡多数载流子和非平衡少数载流子的浓度。
其能带结构如图3-1所示。
对p 型材料则相反。
用光照产生非平衡载流子的方法，称为非平衡载流子的光注入，光注入时：n p ∆=∆ (3-4)当用电的方法产生非平衡载流子，称为非平衡载流子的电注入。
如p-n 结正向工作时的外加电场，就是最常见到的电注入方法。
此外，当金属探针与半导体接触时，也可以用电的方法注入非平衡载流子。
如用四探针测试电阻率时，就是通过探针与半导体接触时在半导体表面注入电子，从而得到样品的电阻率。
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，如对n 型材料，△n ≤n 0，△p ≤n 0，满足这个条件的注入称为小注入。
例如1Ωcm 的n 型硅中，n 0≈5.5×1015cm -3，p 0≈3.1×104cm -3，若注入的非平衡载流子浓度△n ＝△p ＝1010cm -3，△n ≤n 0，△p ≤n 0是小注入，但是△p 几乎是p 0的106倍，即△p ≥p 0。
这个例子说明，即使是小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度可以比平衡少数载流子浓度大很多，它的影响就显得十分重要，而相对来说非平衡多数载流子的影响可以忽略。
所以往往非平衡少数载流子起着重要作用，因此我们说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子，简称少数载流子或者少子。
然而有时，注入的非平衡载流子浓度与平衡时的多数载流子浓度可比，甚至超过平衡时的多数载流子，如对n 型材料，△n 或△p 与n 0在同一数量级，满足这个条件的注入称为大注入。
这时非平衡多数载流子的影响就不可以忽略了，我图3-1 光照产生非平衡载流子 光照们应考虑非平衡多数载流子和非平衡少数载流子的共同作用。
3.1.2 非平衡载流子寿命非平衡载流子并不能一直稳定地存活下去，当产生非平衡载流子的外界作用撤除以后，它们要逐渐衰减以致消失，最后载流子浓度恢复到平衡时的值。
但是非平衡载流子并不是立刻全部消失，而是有一个过程，即它们在导带或价带有一定的生存时间，有的长些，有的短些，这与半导体的禁带宽度，体内缺陷等因素有关。
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τ表示。
载流子的寿命分为两大类，分别是复合寿命和产生寿命。
复合寿命r τ应用于多余的载流子由于复合而发生衰减的情况，如正向偏置的二极管。
产生寿命g τ应用于只存在极少量的载流子，但要达到平衡态的情况，如空间电荷区，反向偏置二极管，或MOS 器件。
图3-2即为正向偏置时对应的复合寿命，以及反向偏置时对应的产生寿命。
载流子的复合和产生可发生在体内，此时分别用体复合寿命r τ和体产生寿命图3-2 (a) 正向偏置时对应的复合寿命 (b) 反向偏置时对应的产生寿命g τ表示，也可发生在表面，此时用表面复合速率r s 和表面产生速率g s 表示，如图3-2所示。
任何器件都包含体内和表面，则复合或产生寿命是受体寿命和表面寿命共同影响，而且往往两者很难区分。
这里我们讨论的载流子寿命只局限于复合寿命。
载流子的复合机制可以分为三大类，分别是(1) SRH （Shockley －Read －Hall ）复合或多光子复合，此时电子空穴对通过深能级复合，复合时释放出来的能量一般被晶格振动或光子吸收，如图3-3(a)所示。
SRH 寿命可表示为： 010100()()p n SRH n n n p p p p n n τττ++∆+++∆=++∆ (3-5)其中0p ，0n 分别是平衡空穴，电子浓度。
n ∆，p ∆是多余载流子浓度，1n ，1p ，p τ，n τ由下式定义：()1T i E E kT i n n e -=()1T i E E kT i p n e --=1p p th T v N τσ=1n n th Tv N τσ= 只要半导体内存在杂质或缺陷，SRH 复合总存在。
对于间接能带半导体，SRH 复合更为重要。
SRH 复合寿命与缺陷能级的密度和俘获截面成反比，而与能级位置没有直接关系。
但是一般若能级接近禁带中心，，俘获截面就相对较大，(2) 辐射复合，如图3-3(b)所示。
此时电子空穴通过带间复合，复合时释放图3-3 复合机制示意图 (a) SRH 复合 (b) 辐射复合 (c) 直接俄歇复合 (d) 间接俄歇复合出来的能量被光子吸收，复合寿命可表示为：001()rad B p n n τ=++∆ (3-6) 其中B 为复合系数。
由上式可知，辐射复合寿命反比于载流子浓度，那是由于辐射复合过程是通过价带上的空穴和导带上的电子复合的。
辐射复合较易发生在直接能带半导体，即导带最低点对应的k 值与价带最高点对应的k 值相同，如GaAs ，InP 。
辐射复合过程不需要光子的参与，也不依赖于杂质浓度，复合时释放出来的能量被光子吸收。
对于半导体硅，辐射复合几乎不起作用。
(3) 俄歇复合，如图3-3(c)所示。
此时复合时释放出来的能量被第三个载流子吸收，由于复合过程与三个载流子有关，俄歇复合寿命反比于载流子浓度的平方。
对于p 型半导体，俄歇复合寿命可表示为：22001(2)Auger p C p p n n τ=+∆+∆ (3-7) 其中p C 是俄歇复合系数。
俄歇复合发生在直接或间接能带半导体中，载流子浓度越高，俄歇复合越易发生。
与辐射复合一样，俄歇复合与杂质浓度没有关系。
俄歇复合只是在载流子浓度较高时，一种重要的复合机制，对于窄禁带半导体，俄歇复合也很重要，如HgCdTe 。
当半导体内存在杂质能级时，辐射复合或俄歇复合也同样发生，此时它们可借助于杂质能级。
由上面的复合机制可知，若半导体硅材料，当载流子浓度较高时，以俄歇复合为主，当载流子浓度较低时，以SRH 复合为主，辐射复合在任何情形下都不起主要作用。
3.2 普通少数载流子寿命测试方法3.2.1少数载流子寿命测试方法概括通常少数载流子寿命是用实验方法测量的，各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。
最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多，如探测电导率的变化，探测微波反射或透射信号的变化等，这样组合就形成了许多寿命测试方法。
近30年来发展了数十种测量寿命的方法，如表3-1所示。
下面将具体介绍几种常用的测试方法。
其中微波光电导衰减法将放在下一节重点介绍。
3.2.2直流光电导衰退法(Photo Conductivity Decay)PCD 方法是利用直流电压衰减曲线来探测少子寿命。