半导体中少数载流子寿命测量
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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……
对于未来的展望
希望能够有更多的选题
希望可以和别的学科（比如光科、材料、生物、电子
+
p
扩散流
N
(以空穴行为为例)
_
漂移流
正向电压
开始时先加上一个与内建电场方向相反的正向电压 ,由于它的作用使得PN结内部的 势垒变窄.。因此扩散电流要大于漂移电流，从而使得少数载流子能够越过势垒. 由 于复合效应，少数载流子的分布随着与PN结边界距离的增加而减小。
反向抽取
内建电场 扩散流
P
漂移流
Fra Baidu bibliotek
N
06300190005 曹海元 指导教师：陆昉
研究目的
1.在半导体处于非平衡状态时（如外加电场），少数载 流子从产生到复合所用的平均时间称为少数载流子的 寿命
2.少数载流子寿命是由半导体材料性质、掺杂情况及半 导体中深能级缺陷所决定的参数，它对器件的特性起 着重要作用（如太阳能电池的光电转化效率）
3. 通常的光学测量方法很难测量器件中的少数载流子寿 命。使用反向恢复时间法测量半导体中少数载流子的 寿命，就能够克服光学方法的难点，测量器件中的少 子寿命。
原理
脉冲恢复法:将二极管和取样电阻串联接到信号发生器
的两端，让信号发生器输出如图所示的脉冲信号，用 示波器接在取样电阻的两端测量电阻两端电压（电路 中电流）随脉冲信号的变化情况。
电阻
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）
(以空穴行为为例)
_
负向偏压
在正向偏压之后，PN结两端又加上一个负向偏压, 它与内建电场的方向相同 , 因此 在PN结边缘处的积累电荷会被抽取出来.当边缘处的电荷被抽取完之后，内部的载 流子就会随着复合而消失。
+
在经历过正向偏压之后，少数载流子的分布为 n( x) n0 * e x / LD （x为到PN结边界的距离，LD为扩散长度）
(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
(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。
(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。
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 )
去除过冲的结果
如果考虑剩余电荷造成的影响，可以把测得正向电流、 反向电流与存储时间按照 Ts *[ln(1 I f / I r ) b] 进行线性拟合，得到的斜率即为我们所求的少数载流子 寿命。拟合结果：少子寿命为1033ns。
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
工程等）能够有交集，可以通过这个设计性物理实验 的平台来拓宽物理系学生的视野、培养综合能力
希望可以从大一开始就能够有机会参加一些比较简单
的课题研究，尽早培养独立探究的能力及兴趣
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……
对于未来的展望
希望能够有更多的选题
希望可以和别的学科（比如光科、材料、生物、电子
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p
扩散流
N
(以空穴行为为例)
_
漂移流
正向电压
开始时先加上一个与内建电场方向相反的正向电压 ,由于它的作用使得PN结内部的 势垒变窄.。因此扩散电流要大于漂移电流，从而使得少数载流子能够越过势垒. 由 于复合效应，少数载流子的分布随着与PN结边界距离的增加而减小。
反向抽取
内建电场 扩散流
P
漂移流
Fra Baidu bibliotek
N
06300190005 曹海元 指导教师：陆昉
研究目的
1.在半导体处于非平衡状态时（如外加电场），少数载 流子从产生到复合所用的平均时间称为少数载流子的 寿命
2.少数载流子寿命是由半导体材料性质、掺杂情况及半 导体中深能级缺陷所决定的参数，它对器件的特性起 着重要作用（如太阳能电池的光电转化效率）
3. 通常的光学测量方法很难测量器件中的少数载流子寿 命。使用反向恢复时间法测量半导体中少数载流子的 寿命，就能够克服光学方法的难点，测量器件中的少 子寿命。
原理
脉冲恢复法:将二极管和取样电阻串联接到信号发生器
的两端，让信号发生器输出如图所示的脉冲信号，用 示波器接在取样电阻的两端测量电阻两端电压（电路 中电流）随脉冲信号的变化情况。
电阻
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）
(以空穴行为为例)
_
负向偏压
在正向偏压之后，PN结两端又加上一个负向偏压, 它与内建电场的方向相同 , 因此 在PN结边缘处的积累电荷会被抽取出来.当边缘处的电荷被抽取完之后，内部的载 流子就会随着复合而消失。
+
在经历过正向偏压之后，少数载流子的分布为 n( x) n0 * e x / LD （x为到PN结边界的距离，LD为扩散长度）
(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
(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。
(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。
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 )
去除过冲的结果
如果考虑剩余电荷造成的影响，可以把测得正向电流、 反向电流与存储时间按照 Ts *[ln(1 I f / I r ) b] 进行线性拟合，得到的斜率即为我们所求的少数载流子 寿命。拟合结果：少子寿命为1033ns。
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
工程等）能够有交集，可以通过这个设计性物理实验 的平台来拓宽物理系学生的视野、培养综合能力
希望可以从大一开始就能够有机会参加一些比较简单
的课题研究，尽早培养独立探究的能力及兴趣