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）
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 / Ir ) 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。
反向抽取
内建电场
扩散流
P
漂移流
N
_
负向偏压
+ (以空穴行为为例)
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 * ex/LD
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
G
o
t
实验电路图
实验中使用的脉冲信号
平衡态
空穴 (positive)
P
ห้องสมุดไป่ตู้
内建电场
扩散流 漂移流
电子(negative)
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 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
（x为到PN结边界的距离，LD为扩散长度）
在抽取过程中,反向电流为 J J0 (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 Tr
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。
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
+p
扩散流
漂移流
N_
正向电压
(以空穴行为为例)
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。