高频光电导法测少子寿命

实验6

高频光电导法测少子寿命

学习目标

1、掌握高频光电导衰减法测量半导体单晶中少子寿命的实验原理；

2、掌握高频光电导衰减法测量半导体单晶中少子寿命的实验方法；

3、完成高频光电导衰减法测量半导体单晶中少子寿命的实验内容；

4、加深理解少数载流子寿命与半导体其它半导体物理参数的关系。

建议学时：2学时

原理

半导体中非平衡少子寿命是是表征半导体单晶材料质量的重要物理量，与半导体中杂质、晶体结构缺陷直接有关。少子寿命测量是半导体的常规测试项目之一。

光电导衰减法是指利用脉冲光在半导体中激发出非平衡载流子，导致半导体的体电阻发生改变，通过测量体电阻或两端电压的变化规律获得半导体中非平衡少子的寿命。光电导衰减法又分为直流光电导衰减法、高频光电导衰减法和微波光电导衰减法，分别采用直流、高频电流以及微波加载在半导体样品上检测非平衡载流子的衰减过程。直流法是标准方法，高频法使用方便，常用来检验单晶质量，而微波法常用于器件工艺线上测试晶片的工艺质量。此外，还有扩散长度法、双脉冲法、漂移法以及光磁电法等测量寿命的方法。

本实验采用高频光电导衰减法测量半导体单晶中少子寿命。

1、理论基础

当用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，即∆n =∆p 。即使在小注入的情况下，注入的非平衡少子的浓度也比热平衡状态少子的浓度大得多，所以在半导体中非平衡少子往往起着重要作用，通常所说的非平衡载流子都是指非平衡少子。

光注入的非平衡载流子必然导致半导体电导率增大，引起的附加电导率为

)(n p n p p q n q p q μμμμσ+∆=∆+∆=∆ （1）

其中：q 为电子电荷;µp 和µn 分别为空穴和电子的迁移率。附加电导率可以采用如图1所示电路观察。

图1 光电导衰减法测量非平衡少子寿命原理图

图2-18中电阻R 比半导体电阻r 大很多，无论是否光照，半导体中的电流I 几乎是恒定的，半导体上的电压降V=Ir 。设热平衡时半导体电导率为0σ，光照时的电导率

σσσ∆+=0，因而半导体电阻率改变为

0/1/1σσρ-=∆ （2）

小注入时00σσσ≈∆+，因此

200//1/1σσσσρ∆-≈-=∆ （3）

则半导体电阻改变

σσρ∆-≈∆=∆)]/([/20S l S l r （4）

其中，l 、S 分别为半导体的长度和截面积。因为σ∆∝∆r ，而r I V ∆=∆，故σ∆∝∆V ，因此p V ∆∝∆，即半导体上电压的变化反映了非平衡少子的变化情况。

当去掉光照，非平衡载流子产生净复合，少子浓度将按指数衰减，即

τt

e p -∝∆ （5）

τ为少子寿命，表示光照消失后，非平衡载流子的平均生存时间。因此，测量半导体上电压随时间衰减的规律，由指数衰减曲线即可确定少子寿命。

2、高频光电导衰减法测量原理

图2所示就是直流光电导衰减法测量少子寿命的基本原理图，在半导体样品上加载的是直流电流。在此基础上发展而来的高频光电导衰减法在样品上加载的是高频脉冲信号。

图2高频光电导衰减法测量装置示意图 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，其衰减速度取决于非平衡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

τt

e V V -∆=∆0 （2-41） 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，在示波器上可显示图2-20的指数衰减曲线，衰减的时间常数τ就是欲测量的寿命值。

图2-20 非平衡载流子的指数衰减曲线

3、仪器使用

本实验使用LT-2型单晶少子寿命测试仪测量Si 单晶的少子寿命。

3.3 电路描述及检修要点 t

主机电路由稳压电源、高频源、检波放大、红外光源、电压显示电路等组成。

实验内容

1. 获得测试样品在光照下的V~t曲线；

2. 分别读取记录5组寿命值，并给出测试样品少子的寿命。

实验仪器：LT-2型单晶少子寿命测试仪

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）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（注意：涂水不可过多，以免水流入光照孔），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。

（5）记录示波器上的V~t曲线，读取示波器上的寿命值。

由于表面复合及光照不均匀等因素的影响，衰减曲线在开始的一小部分可能不是呈现指数衰减形式，这时应按“注意”处理，取指数衰减部分读数。

复习题

1、简述少子寿命概念。

2、样品中的杂质和缺陷对少子寿命有何影响？根据实验结果判断单晶测试样品质量。

3、什么是小注入条件？本实验中为什么要保证小注入条件？

4、本实验对红外光源有什么要求？是否可选择可见光做光源？

参考资料

[1]刘恩科, 朱秉升, 罗晋生编著. 半导体物理学. 第7版. 北京：电子工业出版社, 2008.

[2]LT-2型单晶少子寿命测试仪用户手册. 随机资料.