半导体物理实验指导1

试验一 单晶硅少子寿命测试

一．试验目的

1．了解半导体非平衡少子寿命的概念和重要性。 2．掌握高频光电导衰减法测量寿命的基本原理。 3．学会“DSY-Ⅱ硅单晶寿命仪”的使用。 二．实验原理

1．非平衡载流子的注入

我们知道，处于热平衡状态的半导体，在一定的温度下，载流子浓度使一定的。这种处于平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。 对非简并半导体来说，有2

0exp()g o o c v i E n p N N n k T

=-

=

如果对半导体施加外界作用（光注入或者电注入），破坏热平衡条件，则半导体处于非平衡状态，其载流子浓度不再是o n 、o p ，而是存在过剩载流子n ∆、p ∆，称为非平衡载流子。 当外界作用消失后，注入的非平衡载流子不能一直存在下去，最后，载流子浓度恢复导平衡时的值，半导体又回到平衡态，这个过程即是非平衡载流子的复合。但非平衡载流子不是立刻全部消失，而有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时间，有的长，有的短。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更重要，因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命。 假定一束光在n 型半导体内部均匀地产生非平衡载流子n ∆、p ∆，且n p ∆=∆。在t ＝0时，突然光照停止，p ∆将随时间变化。单位时间内非平衡载流子浓度的减少应为()d p t dt

∆，它

是由复合引起的，因此应当等于非平衡载流子的复合率。 即

()()

d p t p t dt

τ

∆∆=-

。

小住入时，τ为恒量，与()p t ∆无关，

()t

p t Ce

τ

-∴∆=。

设t ＝0时，0(0)()p p ∆=∆，则0()C p =∆， 0()()t

p t p e

τ

-∴∆=∆。

这就是非平衡载流子浓度随渐渐按指数衰减的规律。利用上式可求出非平衡载流子平均生存时间t 就是τ。

()/()/t

t

t td p t d p t te

dt de

dt τ

τ

τ-

-

∞∞

∞∞=

∆∆=

=⎰

⎰⎰

⎰

所以寿命标志着非平衡载流子浓度减少导原值1/e 所经历的时间。寿命不同，非平衡载流子衰减的快慢不同，寿命越短，衰减越快。 2．高频光电导衰减法

光注入必然导致半导体电导率的增大，引起附加电导率。

()n p n p nq pq pq σμμμμ∆=∆+∆=∆+。

实际上，并不是光生电子河光生空穴都对光电导有贡献。在复合消失前，只有其中一种光生载流子（一般是多数载流子）有较长时间存在于自由状态，而另一种往往被一些能级束缚。这样n p ∆>>∆或p n ∆>>∆。

附加电导率应为：0n nq σμ∆=∆或0p pq σμ∆=∆。

可利用图示装置观察。图中，电阻R 比半导体电阻r 大很多，以保证通过半导体的电流I 恒定。半导体上电压降V Ir =。设平衡时半导体电导率为0σ，光照引起的附加电导率为σ∆， 小注入时，00σσσ+∆≈

∴电阻率的改变2

00

1

1

σ

ρσ

σσ∆∆=-=-

∴电阻的改变2

l l

r s

s ρ

σσσ∆=∆=-

∆∝∆

∴电压降的改变V I r p σ∆=∆∝∆∝∆0t

V e

τ

-

=∆。

则，可从示波器观察到半导体上电压降的变化，以检验非 平衡载流子的注入。并且，可根据电压降随时间衰减的曲 线，确定少子寿命。

三．DSY-Ⅱ硅单晶寿命仪的使用

1．仪器工作原理

仪器的简单工作原理可以从方框图中看出， 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 即产生光生载流子，使样品产生附加光电 导，样品电阻下降，由于高频员为恒压输 出 ，因此，流过样品的高频电流幅值增加

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（即寿命τ）。在小注入下 ，当样品光照区内复合是主要因素是，I ∆ 按指数规律衰减，在取样器上产生的电压 也变化V ∆，也按同样的规律变化。 即：0t

V V e

τ

-∆=∆。

此调幅高频信号经检波器解调河高频滤波，再经宽频放大器放大后输入到脉冲示波器，再示波器上就显示出一条如图指数衰减曲线，衰减的时间常数τ就是要测的寿命值。

2．面板介绍

KD：开关及指示灯

K：制脉冲发生电路电源通/断

KW：外光远主电源的电压调整电位器（顺时针为调高）

CZ：信号输出高频插座

M1：红外光源主电源电压表（指示红外发光管工作电压大小）

M2：磁环取样检波电压表（指示输出信号大小）

四．实验内容及步骤

1．接通电源线及用高频连线将CZ与示波器Y输入端接通，开通示波器。

2．将清洁处理后的样品置于电极上，可在电极上涂抹点水，以提高灵敏度。如样品太轻，可在单晶上端压上重物，以改善接触。

3．开启总电源KD，预热15分钟，按下K接通脉冲电路电源。旋转KW，适当调高电压。4．调整示波器电平及释抑时间，同步调整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，尽量与标准指数曲线吻合。

5．如果光电导信号衰减波形部分偏离指数曲线，

应作如下处理：

（1）如波形初始部分衰减较快，则用波形较后

部分测量。

（2）如波形头部出现平顶现象，说明信号太强，

应减弱光强，在小信号下进行测量。

（3）为保证测试准确性，满足小注入条件，即

在可读数前提下，示波器尽量使用大的倍率，光

远电压尽量地调小。

6．关机时，先将开关K按起。

五．实验报告

1．观察非平衡载流子随时间的衰减，绘出衰减曲线

2．确定非平衡载流子的寿命。

六．思考题

强注入情况下，τ还是定值吗？这个时候的p

∆的曲线方程？