实验一 光电导衰退测量少数载流子的寿命
载流子寿命实验报告
一、实验目的1. 理解载流子寿命的概念及其在半导体器件中的应用；2. 掌握测量载流子寿命的原理和方法；3. 通过实验验证半导体材料载流子寿命的特性。
二、实验原理载流子寿命是指非平衡载流子在复合前的平均生存时间。
在半导体器件中，载流子寿命是影响器件性能的重要因素之一。
本实验采用光电导法测量半导体材料的载流子寿命。
光电导法是一种基于光电效应的测量方法，通过测量样品的光电导率随时间的变化，得到载流子寿命。
实验中，当样品受到光照时，非平衡载流子产生，导致样品的光电导率发生变化。
随着时间的推移，非平衡载流子逐渐复合，光电导率逐渐恢复到初始值。
通过测量光电导率随时间的变化，可以得到载流子寿命。
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、双灯太阳光模拟器、样品台、样品夹具、数字多用表、示波器等；2. 材料：硅单晶片、砷化镓单晶片、磷化铟单晶片等。
四、实验步骤1. 将样品放置在样品台上，调整样品与光电导仪的相对位置；2. 打开LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪，设置实验参数，如光照强度、光斑大小、测试时间等；3. 将双灯太阳光模拟器调至所需的光照强度，打开电源，使样品受到光照；4. 记录光电导率随时间的变化曲线；5. 关闭光照，等待样品恢复到初始状态；6. 重复实验步骤3-5，至少进行3次，以确保实验结果的可靠性；7. 分析实验数据，计算载流子寿命。
五、实验结果与分析1. 实验数据：（1）硅单晶片：载流子寿命约为1.2×10^-6s；（2）砷化镓单晶片：载流子寿命约为1.5×10^-6s；（3）磷化铟单晶片：载流子寿命约为2.0×10^-6s。
2. 结果分析：（1）从实验数据可以看出，硅单晶片的载流子寿命最短，砷化镓单晶片的载流子寿命次之，磷化铟单晶片的载流子寿命最长；（2）根据理论分析，载流子寿命与半导体材料的能带结构、缺陷密度等因素有关。
在本实验中，磷化铟单晶片的载流子寿命较长，可能是由于其能带结构有利于载流子的传输和复合；（3）实验结果表明，采用光电导法可以有效地测量半导体材料的载流子寿命。
微波反射光电导衰减法测少子寿命演示实验
要 ： 用 微 波 反 射 光 电导 衰 减 法 设 计 了测 试 少 子 寿命 的 演示 实 验 装 置 ．实 验 装 置 主 要 由 脉 冲 激 光 源 、 波 发 射 采 微
接 收 和 数 据 采 集 处 理 系 统 等 部 分 组 成 ．该 实 验 可 以直 观地 演示 非 平 衡 载 流 子 随 时 间 的 衰 减 过 程 ， 量 给 出少 子 寿 命 、 定 扩 散系数和扩散长度． 关 键 词 ： 波 反 射 光 电导 ； 子 寿 命 ； 散 长 度 微 少 扩
第 ３ 卷 第 ３ ２ 期
２ １ 年 ３月 ０２
物
理
实 验
ＶｏＩ ２ Ｎｏ． ．３ ３
Ｍ ａ ．， ０１ ｒ ２ ２
ＰＨ ＹＳ ＣＳ ＥＸＰＥＲＩ ＥＮＴＡＴＩ Ｉ Ｍ ＯＮ
微 波 反 射 光 电导 衰 减 法 测 少 子 寿 命 演 示 实验
实 验 教 学
摘
汪 礼 胜 ， 凤 翔 陈
少子 寿命 的 测试 方 法 有 很 多 ， 直 流 光 电导 如
衰减 法 、 高频 光 电导衰减 法 、 微波 反射 光 电导衰减
注入 、 电注入 和高 能 粒 子 辐射 等 使 半 导 体 中的 电
子 和 空 穴 增 加 ， 生超 出 平 衡 态 的 过 剩 载 流 子 ． 产 这些 比热平衡 状态 多 出来 的过剩 载流 子就 是非平 衡 载 流 子．相 对 于 非平 衡 多 数 载 流 子 ， 平 衡少 非
知 识点 ， 子寿命 与载 流子 的漂 移 、 少 扩散 和复 合等 有 关 ， 往 学 生 对这 部 分 内容 理 解 较 为 困难 ．为 往
实验衰减法测寿命
实验四 高频光电导衰减法测量硅（锗）单晶少子寿命少子寿命是少数载流子的平均生存时间，本实验的目的是使学生更深入地理 解高频光电导衰减法测少子寿命的原理，并掌握测试方法。
一、实验原理１、高频光电导法的测试原理（l）装置高频光电导测试装置如图２.１所示。
它主要由光学和电学两大部分组成。
光学系统主要是脉冲光源系统。
充电到几千伏的电容器，用脉冲触发，．通过氙气灯放电，给出余辉时间小于10ps 的光脉冲（1 次／ｓ）。
经光栏、聚光镜、滤波片发射于样品。
这种光源，光强强频谱丰富，能为硅、锗提供本征吸收边附近的有效激发光（硅是1．1ps，锗是1．7ps）在样品厚度范围内产生分布均匀的非平衡载流子。
但其中短波强吸收光只在前表面处产生非平衡载流子。
而它们会在表面复合掉。
故高、中阻样品要用硅或锗滤光片滤去短波强吸收光，以减小表面效应。
光源光强由氙灯直流高压、光栏和滤光片（厚0．5～2 mm）联合调节，并能在很宽范围内改变，以适应不同阻值的小信号测试要求。
对于τ＜１０μｓ者用余辉时间小于lμｓ的红外脉冲光源（３次／ｓ及３０次／ｓ），其光强由发光管电压调节。
电学系统主要有30ＭＨｚ的高频电源、宽频带前置放大厦，以及显示测试 信号的脉冲示波器等。
测量要求高频源内阻小且恒压，放大系统灵敏空高、线性 好，且示波器要有一标准的时间基线。
（2）取样显示30ＭＨｚ的高频源送出等幅的３０ＭＨｚ正弦波，经耦合电极耦合至单晶样 品，在其中产生同频率的高频电流0sin i I t ω=式中I ０为无光照时样品中高频电流的幅值；ω为频率。
此高频电流由另一同样 的电极耦合到检测电路的取样电阻R ２支路中。
当脉冲光以小注人条件照射样品时，产生了非平衡载流子，使电导率增加， 因高频源为恒压输出，故样品中高频电流的幅值增加ΔＩ， 以致光照时样品中 的高频电流是0()sin i I I t ω=+Δ光照间隙，样品中非平衡载流子因复合按指数规律衰减，高频电流幅值及在 R ２上的取样信号v 的幅值亦按同样规律衰退，即0(exp(/))sin f i I I t t τω=+Δ−0(exp(/))sin f v V V t t τω=+Δ−式中V O 为无光照时R ２上的的等幅高频电压幅值; ΔV 为光照后R ２上电压幅值的增量。
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。
最新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。
实验一 高频光电导衰减法测量硅单晶少子寿命
实验一 高频光电导衰减法测量硅单晶少子寿命微电子2班 王家裕 11342069一．实验目的1．掌握用高频光电导衰减法测量Si 单晶中少数载流子寿命的原理和方法。
2. 加深对少数载流子寿命及其与样品其它物理参数关系的理解。
3. 学会使用LT-1B 型高频光电导少数载流子寿命测试仪。
二．实验原理❶实验测试系统原理图如下所示。
R s 是两端为欧姆接触的半导体样品，R L 是负载电阻，V A 是外加直流电压，V L 是测量负载或输出电压。
光脉冲形成的微扰可以在半导体内产生过剩载流子，从而可以检测到电导率的变化。
❷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。
当去掉光照，少子密度将按指数衰减，即τte p -∝∆τ：少子寿命，表示光照消失后，非平衡少子在复合前平均存在的时间。
此时取样器上产生的电压变化∆V也按同样的规律变化，即τteVV -∆=∆此调幅高频信号经检波器解调和高频滤波，再经宽频放大器放大后输入到脉冲示波器，在示波器上可显示下图的指数衰减曲线，由曲线就可获得寿命值。
图2指数衰减曲线❸测量表面符合寿命从公式1/τf=1/τb+1/τs可以看出当体寿命τb>500ms时，等号后第一项可以忽略。
此时τf≈τs。
此时τs=l2π2D,因此测量寿命仅与样片厚度有关。
根据厚度计算的寿命值可以与标准关系表对照。
t∆V∆V0∆V0/eτ三、实验内容1.熟悉实验仪器操作。
2.分别测量两种N型Si单晶研磨片的少子寿命。
3.对比分析实验结果与样品尺寸得出的少子寿命理论值，对误差问题进行讨论。
4.由室温下载流子迁移率与参杂浓度关系图，电阻率与参杂浓度关系图，计算厚样品的少子扩散长度。
5.请解释样品两端耦合电子涂水的作用。
四、实验结果与分析❶测量两种N型Si单晶研磨片的少子寿命。
本实验有两种样品，样品一为厚样品，样品二为薄样品。
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。
实验光电导衰退法测量单晶硅非平衡少数载流子寿命
应在样品与电极接触处涂以自来水，注意切勿涂到光照面上。 用弹力橡皮与样
2
品接触，旋紧螺丝，使样品紧压
在电板上。 根据被测样品的寿命值范围
选 择 光 源 ： τ<10μS; 选 用 红 外 光 源：τ>10μS 选用氙灯光源。
根据被测样品的电阻率选 择电表量程开关ρ>100Ώcm 选 择“高阻”挡，ρ<100Ώ cm 选用 “低阻”挡。
量体电阻的变化规律直接观察半导体材料中非平衡载流子的衰退过程，因而测量它的寿命。
双脉冲法和光电导衰退法属于这一类。第二类为稳态法( 间接法)，它是利用稳定的光照， 使非平衡少子分布达到稳定状态，然后测量半导体中某些与寿命值有关的物理参数从而推
算出少子寿命; 这类方法包括扩散长度法和光磁法。这类方法的优点是可以测量很短寿命 的材料，但必须知道半导体材料的其他一些参数，而这些参数往往会随样品所处的条件不
一、实验原理
实验的原理框图见 12-1，从图看出， 高频源提供的高频电流流经被测样品。
当氙光源或红外光
源的脉冲光照射被测样 被
测
品时，单晶硅光照表面以 硅
单
及光贯穿深度范围内将 晶
高频源 脉冲光源
产生非平衡光生载流子，
这将使得样品产生附加
光电导，使样品的总电阻
取 样
下降。当高频信号源为恒
器
压输出时，流过样品的高
实验 光电导衰退法测量单晶硅非平衡少数载流子寿命
少子寿命对双极型器件的电流增益、正向压降、 开关速度等参数起着决定性的作用。
太阳能电池的转换效率，发光二极管的发光效率等也与少子寿命有关。 因此，少子寿命的
测量一直受到极大的重视。
少子寿命的测量有许多种方法，一般可以分为两大类。第一类为瞬态法(直接法)。 这 类方法利用脉冲电或闪光在半导体中激发出非平衡载流子来调制半导体的体电阻，通过测
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。
重庆大学 半导体测试技术-实验一
实验一高频光电导法测量硅中少子寿命一、实验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。
本实验通过采用高频光电导衰退法测量高阻硅的少子寿命，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。
当以恒定光源来照射一块均匀掺杂的n型半导体时，将在半导体内部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-dΔp/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-dΔp/dt=Δp（t）/τ（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：Δp（t）=（Δp）0e-t/τ（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，由此测得寿命值τ。
高频光电导衰减法测量原理如图1所示，样品两端以电容耦合的方式与高频振荡源的输出和检波器的输入端相连接。
其等效电路如图2所示。
少子寿命测试
半导体少子寿命测量
实验内容与目的
1.
采用高频光电导衰退法测量单晶硅片的少子寿命。
并观察光源经滤光片滤光后测试曲线的变化。
2. 加深学生对半导体非平衡载流子理论的理解；学会使用高频光电导测试仪和示波器来测量半导体少子寿命。
实验仪器与原理
1． 采用自制的HM-HLT 型高频光电导少子寿命测试仪和示波器进行测试。
2． 对硅片上施加光注入，光照停止后，非平衡载流子衰减：()τt e p t p -∆=∆0,
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。
实验步骤
1． 将测试仪与示波器连接，待测Si 片放入样品仓，打开示波器电源，示波器的“输入”旋钮放在交流，“扫描方式”旋钮放在自动，调节“位移”旋钮，使光标成为一条直线，与显示屏上的标准曲线的横轴相重合。
2． 打开少子寿命仪电源，调节“频率调节”、“光强调节”旋钮，频率约在1-2H Z ，光强旋钮约为230V 。
在测量时，如果图形曲线发生截波失真现象
则应将光强幅度减小。
3． 调节示波器，先将“扫描方式”旋钮放在常态，对示波器显示系统进行粗调，主要调节“电压/格”，“时间/格”旋钮，并用“电平”旋钮调整，将荧光曲线调节到与标准曲线吻合。
4． 最后用“电压/格” 旋钮的微调使荧光曲线与标准曲线完全重合，如遇图形曲线有杂波，可以通过继续微调“电平”旋钮来改善图形的质量。
记录示波器的“电压/格”，“时间/格”值。
5．
观查在硅片上叠放滤光片与不叠放滤光片时，示波器显示曲线的变化。
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。
少数载流子寿命测试系统研究
少数载流子寿命测试系统研究赵毅强，翟文生，王健，刘铁臣摘要：少数载流子寿命是衡量半导体材料性能的关键参数之一，文中介绍了光电导衰退法少数载流子寿命测试系统。
阐述了光电导衰退法测试原理，分析了测试系统构成，以及光脉冲下降沿时间、微弱信号放大处理、前放带宽、精密定位等关键技术，其主要性能指标是：少数载流子寿命测试范围：10*-7 ~6 *10-6；可测样品尺寸：小于20mm；单色光光点大小：Φ0.3mm；测试数据稳定度优于10%。
关键词：少数载流子寿命；光电导衰退法；测试系统引言衡量红外探测器性能的主要技术指标是探测率和响应率，而该指标与制作红外探测器的各种半导体材料（碲镉汞、锑化铟、硅等）的少数载流子寿命有着密切的关系。
通过研究少数载流子寿命，了解其寿命的复合机构，更好地掌握材料性能，可有效地进行晶片筛选，提高器件成品率和性能。
少数载流子寿命的测试方法有多种，但对于工艺线上的在线测试而言，要求简洁方便且为非破坏性测试。
文中采用光电导衰退法（PCD）测量半导体材料的少数载流子寿命及其空间分布直观、准确、可靠。
该系统采用双光路折反射设计，适用窗口封装于底面和侧面杜瓦瓶样品的测试。
操作软件以Windows98, 为平台，可自动或半自动测试，其步进精度高，寿命测试范围宽。
测试原理少数载流子寿命（体）定义为在一均匀半导体中少数载流子在产生和复合之间的平均时间间隔。
在一定温度条件下，处于热平衡状态的半导体，载流子浓度是一定的，当用某波长的光照射半导体材料，如果光子的能量大于禁带宽度，位于价带的电子受激发跃迁到导带，产生电子’空穴对，形成非平衡载流子⊿n ⊿p，对于n型材料非平衡电子称为非平衡多数载流子，非平衡空穴称为非平衡少数载流子，对-型材料则相反。
用光照使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，半导体电导率的变化为：⊿σ=⊿nqμn+⊿pqμp(1)假设符合下列条件：（1）样品所加的电场很小，以至少数载流子的漂移导电电流可忽略；（2）样品是均匀的，即p0或n0在样品各处是相同的；（3）在样品中没有陷阱存在（即符合⊿n=⊿p）；（4）表面复合可以忽略不计；（5）小注入条件。
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。
实验衰减法测寿命
实验四 高频光电导衰减法测量硅（锗）单晶少子寿命少子寿命是少数载流子的平均生存时间，本实验的目的是使学生更深入地理 解高频光电导衰减法测少子寿命的原理，并掌握测试方法。
一、实验原理１、高频光电导法的测试原理（l）装置高频光电导测试装置如图２.１所示。
它主要由光学和电学两大部分组成。
光学系统主要是脉冲光源系统。
充电到几千伏的电容器，用脉冲触发，．通过氙气灯放电，给出余辉时间小于10ps 的光脉冲（1 次／ｓ）。
经光栏、聚光镜、滤波片发射于样品。
这种光源，光强强频谱丰富，能为硅、锗提供本征吸收边附近的有效激发光（硅是1．1ps，锗是1．7ps）在样品厚度范围内产生分布均匀的非平衡载流子。
但其中短波强吸收光只在前表面处产生非平衡载流子。
而它们会在表面复合掉。
故高、中阻样品要用硅或锗滤光片滤去短波强吸收光，以减小表面效应。
光源光强由氙灯直流高压、光栏和滤光片（厚0．5～2 mm）联合调节，并能在很宽范围内改变，以适应不同阻值的小信号测试要求。
对于τ＜１０μｓ者用余辉时间小于lμｓ的红外脉冲光源（３次／ｓ及３０次／ｓ），其光强由发光管电压调节。
电学系统主要有30ＭＨｚ的高频电源、宽频带前置放大厦，以及显示测试 信号的脉冲示波器等。
测量要求高频源内阻小且恒压，放大系统灵敏空高、线性 好，且示波器要有一标准的时间基线。
（2）取样显示30ＭＨｚ的高频源送出等幅的３０ＭＨｚ正弦波，经耦合电极耦合至单晶样 品，在其中产生同频率的高频电流0sin i I t ω=式中I ０为无光照时样品中高频电流的幅值；ω为频率。
此高频电流由另一同样 的电极耦合到检测电路的取样电阻R ２支路中。
当脉冲光以小注人条件照射样品时，产生了非平衡载流子，使电导率增加， 因高频源为恒压输出，故样品中高频电流的幅值增加ΔＩ， 以致光照时样品中 的高频电流是0()sin i I I t ω=+Δ光照间隙，样品中非平衡载流子因复合按指数规律衰减，高频电流幅值及在 R ２上的取样信号v 的幅值亦按同样规律衰退，即0(exp(/))sin f i I I t t τω=+Δ−0(exp(/))sin f v V V t t τω=+Δ−式中V O 为无光照时R ２上的的等幅高频电压幅值; ΔV 为光照后R ２上电压幅值的增量。
少子寿命测量实验指导书
少子寿命测量一、实验目的1.理解少子寿命测量仪的工作原理及掌握其使用方法；2.掌握少子寿命测量的原理和方法；二、实验原理1.额外载流子密度随时间的衰减规律一束光在一块n 型半导体内均匀产生额外载流子∆n 和∆p 。
在t ＝0时刻，光照突然停止。
考虑∆p （额外少数载流子）随时间衰减的过程,假设复合几率P 为一常数（小注入条件下满足）。
分析：1）单位时间内额外载流子密度的减少应等于复合率,即:()()d p t P p t dt∆=-∆... (1-1) 2）设复合几率P 是与∆p (t)无关的恒量，则此方程的通解为:12()Pt p t C e C -∆=+… (1-2)3）按初始条件∆p(0)＝∆p ，于是得衰减式:()Pt p t pe -∆=∆… (1-3)4)计算全部额外载流子的平均生存时间(P107)，即寿命:0()1()td p t t Pd p t τ∞∞∆===∆⎰⎰… (1-4) 2. 分析额外载流子密度随时间的衰减规律1）绘出∆p （t ）曲线，如下：2）分析可得：∆p(t+τ) = ∆p(t)/e ，这表明了：寿命τ即为额外载流子浓度减小到原值的1/e 所经历的时间。
3. 用光电导衰退法（PCD 法）测量寿命的原理（原理图见课本图3-3）这种衰减可通过硅单晶光电导电压的变化（示波器上）反应出来，我们给硅单晶施加一个脉冲光照，产生△V （光电导电压），当光很快熄灭后，光电导电压△V 会以指数方式衰减，即：△V=△Vo F teτ-…(1-5) 我们定义光电导衰退时间常数F τ为实验观察到的表观寿命。
三、实验方法 1.分别接好示波器及少子寿命测试仪的电源线，联接寿命仪至示波器第2通道间的信号线。
在寿命仪高频电极上各点上一小滴自来水，将测试样块放在两个电极上。
2.打开示波器电源开关，稍后示波屏上会出现一条亮线，示波器面板上的开关、旋钮较多，首先要学会设置示波器、同步调节、扫描速度、Y 轴增盖等开关。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
实验一光电导衰退测量少数载流子的寿命
一、实验目的
1.理解非平衡载流子的注入和复合过程；
2.了解非平衡载流子寿命的测量方法；
3.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t 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/t 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/t 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
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，t是一恒量，与Δp(t)无关，设t=0时，Δp(0)=(Δp)0，则（1）式的解为
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t 就是寿命t ，即
若取t=t ，由（2）式知，Dp(t ) = (Dp)0 /e ，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：
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。
例如：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、实验仪器
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。
四、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
五、实验数据记录与处理
六、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注入？
答：一般控制在“注入比”≤1%，近似按下式计算注入比：
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。
少数载流子寿命一般是随注入比增大而增大，尤其是高阻样品。
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？
答：是，利用公式
七、总结
1.在调节示波器的时候，要尽量把图像调成标准的指数曲线。
2.取点的时候注意不要读数错误，尽量取特殊点。
3.在电极上涂抹一点自来水，改善接触。