1.3 非平衡少数载流子寿命的测量
半导体常规电学参数测试
❖ 3）测试电流
❖ 在测量过程中，通过样品的电流从两方面影响电阻率： ❖ a）少子注入并被电场扫到2,3探针附近，使电阻率减小； ❖ b）电流过大，使样品温度提高，样品的晶格散射作用加强，
导致电阻率会提高。
❖ 因此，要求电流尽量小，以保证在弱电场下进行测试。 ❖ a）对硅单晶材料，一般选取电场E小于1V/cm. ❖ b）若针距为1mm，则2,3探针的电位差不超过100mv.
半导体材料，电阻率反映了补偿后的杂质浓度。一般而言， 电阻率是杂质浓度差的函数。 ❖ 以P型半导体为例：
1
(NA ND)pq
式中----NA 为受主杂质浓度，ND 为施主杂质浓度 μp为空穴迁移率，q为电子电荷
第一章半导体常规电学参数测试
❖ 二、电阻率的测试方法
❖ 按照测量仪器分类：
两探针法
❖ 1、接触法：
❖ 3、用冷热探笔测量时，保证热探笔不能太高（40-60℃）， 并不断交换冷热探笔的位置（欧姆接触，探笔触头60°， In 或Pb） 。
❖ 4、三探针法：探针接触压力小，探针接触半径不大于 50μm，。
❖ 5、避免电磁场的干扰。
第一章半导体常规电学参数测试
1.2 半导体硅单晶电阻率的测量
❖ 一、半导体材料的电阻率与载流子浓度 ❖ 电阻率是荷电载体流经材料时受到阻碍的一种量度。对于
影响，试样测量表面一般要求经过粗砂研磨或喷砂处理。 ❖ b)要求试样表面具有较高的平整度，且样品厚度以及任一探
针距样品边缘的距离必须大于4倍针距，以满足近似无穷大 的测试条件。 ❖ c)各测试点厚度与中心厚度的偏差不应大于±1%。
第一章半导体常规电学参数测试
❖ 2）测试探针
❖ a）选择合适的材料作探针，目前一般使用钨丝、碳化钨等 材料。
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。
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 )
单晶硅非平衡少数载流子寿命测试文集1
单晶硅非平衡少数载流子寿命测试文集1来源：gzkdkj 发布时间：2008-9-3广州市昆德科技有限公司编译2008年6月1日前言硅载流子复合寿命的测量一直是国内外半导体行业十分重视的课题，我们列出ASTM、SEMI标准中三个涉及寿命测量的方法：1、SEM1 MF28-02（2003年11月出版）Test Methods for Minority-Carrier Lifetime in Bulk Germanium and Silicon by Measurement of Photoconductivity Decay光电导衰退测量锗和硅体少数载流子寿命的测量方法。
2、SEMI MI535-1104（2004年11月出版）Standand Test Method for Carrier Recombination Lifetime in Silicon wafers by Noncontact Measurement of Photoconductivity Decay by Microwave Reflectance微波反射无接光电导衰退测量硅片载流子复合寿命测试方法。
3、ASTM Designation:F391-96Standard Test Methods for Minority Carrier Diffusion Length in Extrinsic Semiconductors by Measurement of Steady-state Surface Photovoltage用稳态表面光电压测量半导体中少数载流子扩散长度的标准方法。
第1个标准（MF28）是美国材料试验协会最早发佈的寿命测试标准，它针对体形规则表面经研磨的单晶计算出最大可测体寿命，这个标准阐述了测量锗、硅单晶体寿命的经典方法，并在近年来又做了一些重要补充和修订，但我国现有版本的译文是1987年根据ASTM 1981年重新审批的28-75文本翻译的，距今已有二十多年了。
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。
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
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）
光电导法测量非平衡载流子寿命
实验三、光电导法测量非平衡载流子寿命1.概述1.1. LT-100C高频光电导少数载流子寿命测试仪是参照半导体设备和材料国际组织SEMI标准（MF28-0707，MF1535-0707）及国家标准GB/T1553-1997设计制造。
本设备采用高频光电导衰减测量方法，适用于硅、锗单晶的少数载流子寿命测量，由于对样块体形无严格要求，因此广泛应用于工厂的常规测量。
寿命测量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。
目前我国测量硅单晶少子寿命的常用方法为高频光电导衰退法（hfPCD）及微波反射光电导衰退法（μPCD），两种方法均无需在样品上制备电极，因此国外都称为无接触法。
dcPCD（直流光电导衰退法）是测量块状和棒状单晶寿命的经典方法；μPCD法是后来发展的测量抛光硅片寿命的方法。
这两种方法对单晶表面的要求截然相反，dcPCD法要求表面为研磨面（用粒径为5-12μm氧化铝粉研磨，表面复合速度接近无限大，≈107cm/s），这是很容易做到的；μPCD法则要求表面为完美的抛光钝化面，要准确测量寿命为10μs 的P型硅片表面复合速度至少要小于103 cm/s，并需钝化稳定，这是很难做到的。
hfPCD光电导衰退法介于两者之间，它和dcPCD法一样可以测量表面为研磨状态的块状单晶体寿命，也可以测量表面为研磨或抛光的硅片寿命。
特别要强调的是：无论用何种方法测量“表面复合速度很大而寿命又较高的”硅片（切割片、研磨片），由于表面复合的客观存在，表观寿命测量值肯定比体寿命值偏低，这是无容置疑的，但是生产实际中往往直接测量切割片或未经完善抛光钝化的硅片，测量值偏低于体寿命的现象极为普遍，因此我们认为此时测出的寿命值只是一个相对参考值，它不是一个真实体寿命值，而是一个在特定条件下（体寿命接近或小于表面复合寿命时）可以反映这片寿命高，还是那片寿命更高的相对值。
供需双方必须有一些约定，如约定清洗条件、切割条件和测量条件，只有供需双方经过摸索并达成共识，才能使这样的寿命测量值有生产验收的作用，否则测量值会是一个丝毫不能反映体寿命的表面复合寿命。
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。
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。
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
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/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。
少数载流子寿命
少数载流子寿命
非平衡空穴的寿命
目录
01ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ载流子寿命
03 对器件性能的影响
02
的决定因素与测试原 理
对n型半导体，其中非平衡少数载流子——空穴的寿命τ，也就是空穴的平均生存时间，1/τ就是单位时间 内空穴的复合几率，Δp/τ称为非平衡空穴的复合率 （即n型半导体中单位时间、单位体积内、净复合消失的电 子-空穴对的数目）；非平衡载流子空穴的浓度随时间的变化率为dΔp /dt =－Δp /τp,如果τp与Δp无关，则 Δp有指数衰减规律：Δp = (Δp) exp( -t/τp )。
对于BJT，为了保证少数载流子在基区的复合尽量少（以获得很大的电流放大系数），则必须把基区宽度缩 短到少数载流子的扩散长度以下。因此，要求基区的少数载流子寿命越长越好。
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对器件性能的影响
对于主要是依靠少数载流子输运（扩散为主）来工作的双极型半导体器件，少数载流子寿命是一个直接影响 到器件性能的重要参量。这时，常常采用的一个相关参量就是少数载流子扩散长度L（等于扩散系数与寿命之乘积 的平方根），L即表征少数载流子一边扩散、一边复合所能够走过的平均距离。少数载流子寿命越长，扩散长度就 越大。
用微波方法测量半导体非平衡载流子寿命
用微波方法测量半导体非平衡载流子寿命
半导体非平衡载流子寿命是半导体材料中非常重要的参数，它可以反映出半导体材料的电学性能。
在半导体器件的设计和制造过程中，测量半导体非平衡载流子寿命是非常必要的。
而微波方法是一种常用的测量半导体非平衡载流子寿命的方法。
微波方法是一种非接触式的测量方法，它可以通过测量半导体材料中的微波信号来得到半导体非平衡载流子寿命的信息。
在微波方法中，通过将微波信号注入到半导体材料中，然后测量微波信号的反射和透射，就可以得到半导体材料中的非平衡载流子寿命。
微波方法的优点是测量速度快、精度高、非接触式等。
同时，微波方法还可以测量不同深度的非平衡载流子寿命，从而得到更加详细的半导体材料信息。
因此，微波方法在半导体器件的设计和制造中得到了广泛的应用。
需要注意的是，微波方法测量半导体非平衡载流子寿命时需要注意一些问题。
首先，微波信号的频率和功率需要根据半导体材料的特性进行选择，以保证测量的准确性。
其次，微波方法需要使用专业的仪器设备进行测量，需要具备一定的技术和经验。
微波方法是一种常用的测量半导体非平衡载流子寿命的方法，它具有测量速度快、精度高、非接触式等优点。
在半导体器件的设计和制造中，微波方法可以提供重要的半导体材料信息，为半导体器件
的性能优化和提高提供了重要的支持。
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2）注入比:(△p/n0)
a、当小注入时，即△p/n0≤1%，则△V/V0 ≤1%,τ =τ v b、当大注入时，即△p/n0＞1%，则△V/V0 ≤1%,τ =τ v （1- △V/V0 ）
3）表面复合的修正 当半导体内注入非平衡载流子后，有两个复合中心：体内杂 质、缺陷产生的复合中心、表面能级复合中心，使非平衡载 流子逐渐衰减。则有
（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：
（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
（5）侧准因素的分析
1）严格控制在“注入比≤1%”的范围内。一般取使注入比近 似等于V /V。 2）衰减曲线的初始部分为快速衰减（由于表面复合引起）， 在测量中要去除。如图所示。 a、用滤波片去掉非贯穿光，减小少子； b、读数时要将信号幅度的头部去掉再读数。
3）陷阱效应的影响
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
(3)高频光电导衰退法的特点(最广泛的一种测试方法) 其优点： 1）样品无需切割 2）测量不必制备欧姆电阻 3）依靠电容耦合，样品不易受污染 4）测试简单 缺点： 1）仪器线路复杂，干扰大 2）测量寿命下限高(受脉冲余辉的限制）
（4）高频光电导衰退法测试仪（LT-1）
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。
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。
4）光照面积
测量时，要求光照射导样品的中央，此时输出信号强度最大。 若光照在样品边缘，电极附近的非平衡载流子容易被电场扫 到电极上，从而加快非平衡载流子的衰减，导致测试寿命偏 低。在1/2周期内，其临界电场：
通过上式可知，要求光照限制在1/4正中央面积上。
2、高频光电导衰退法
（1）高频光电导衰退法的测试装置和原理基本与直流光电 导相同，只是用高频电源代替了直流电源，且此方法用电容 耦合的方法，如图所示
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 （1-2-3）
设样品在无光照时的电阻率为σ 0，光照后的电导 率为σ ，则 （1-2-4）
将上式代入（1-2-2）得
（1-2-5） 假定在光照不太强的情况下，注入半导体中的非平 衡载流子较少，因此样品电导率变化也小，此时满 足小注入的条件：
所以有 （1-3-6） 如样品为n型半导体 （1-3-7）
操作方法:
1、合上少子寿命测试仪和示波器电源开关，使仪器预热10 分钟。 2、将清洁处理后的样品置于电极上面，为提高灵敏度，请 在电极上涂抹一点自来水。 3、打开光电源开关，适当调节电压，粗调扫描速度，使示 波器上出现清晰地衰减曲线，且头部略高于坐标点（0，6）， 衰减曲线的尾部相切于X轴。 4、调整示波器相关旋钮（电平，Y轴衰减，微调X轴扫描速 度及曲线的上下左右位置等），使仪器输出的指数衰减光电 导信号波形尽量标准曲线重合。
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。
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
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：
4）衰减曲线“平顶”现象。 如图所示 产生的原因： a、高频振荡电压过大； b、闪光灯的电压过大。
通过以下方法去除： a、减小高频振荡器的输出功率； b、减小闪光灯的电压，或加滤波片，减小光栏的孔径。
(4)高频光电导衰退法的测试工艺
1）样品的要求 a、尽量使用大尺寸样品，或整个单晶锭（取头尾 两个部分测量），减少表面复合的影响； b、测量小尺寸时，需考虑复合的影响，必须进行 修正。因此要求对样品表面研磨或喷砂处理，且要 形状规则； C、样品的电阻率要均匀（体内最小电阻率不小于 最大电阻率的90%）
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）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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）
缺点： 1）对样品的尺寸及几何形状有一定要求 2）需制备一定要求的欧姆接触。
（4）直流光电导衰退法测试的影响因素： 1）电场强度:
电场过大时，产生的少子在电场作用下飘移过快，还没来 得及复合就被被电场牵引出半导体外，显然测得的少子寿命 值偏低。因此有一个“临界电场”确保少子飘移不会引起测 试值的偏差，因此满足：
陷阱效应：在有非平衡载流子出现的情况下，半导体中的某 些杂质能级中所具有的电子数也会发生变化，导致载流子的 积累，这种积累非平衡载流子的效应称为陷阱效应。 一般情况下，这些落入陷阱的非平衡载流子需要一定时间才 能释放出来，因此导致少子寿命偏大。使曲线出现“拖尾 巴”。如图所示
去除陷阱效应的措施： a、样品加底光照，或，让光激发的载流子填满陷 阱，使陷阱在测试中失去俘获非平衡载流子的能力 而消除其影响。 b、加热到50-70℃，让热激发的载流子填满陷阱。
相应匹配电阻R2上的电压也是一个高频调幅波，如 图所示：
则有
因此，只要满足小注入的条件，R2两端电压成指 数衰减，可以代表非平衡少数载流子的衰减规律， 使所以可以通过电压信号测得寿命值。 再通过检波器和旁路电容进行检波滤波，在示波 器得到电压的衰减曲线，通过其电压曲线测量少子 寿命的大小。
设备配置及参数
寿命测试范围：10~6000μs 按测量标准对仪器设备的要求，本仪器设备配有： 2.1 光脉冲发生装置 重复频率＞25次/s 脉宽≥60μs 光脉冲关断时间＜ 5μs 红外光源波长：1.06～1.09μm（测量硅单晶） 脉冲电源： 5A～20A 2.2 高频源 频率：30MHz 低输出阻抗 输出功率＞1W 2.3 放大器和检波器 频率响应：3Hz～1MHz 2.4 配用示波器 配用示波器：频带宽度不低于10MHz Y轴增益及扫描速度 均应连续可调