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。我们将非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的的寿命。显然，非平衡载流子的消失是由于电子-空穴复合引起的。通常把单位时间、单位体积内的净复合消失掉的电子-空穴对对数称为非平衡载流子的复合率。因而，单位时间内非平衡载流子浓度的减少应20000exp ,exp ,(1)

c F F v c v i E E E E n N p N n p n kT kT --⎛⎫⎛⎫=-=-= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

等于非平衡载流子复合率。即有：

在小注入条件下，τ是恒定的，故而非平衡载流子浓度的通解为：

根据边界条件有：ΔP(t)= ΔP(0)= (ΔP)0, 那么C= (ΔP)0，因而非平衡载流子的衰减曲线为：

上式说明非平衡载流子在外加条件撤销后是以指数形式衰减的，在经过τ的时间后，剩余非平衡载流子总量较少到原来的1/e 。而根据非平衡载流子的平均生存时间，及其寿命为：

比较（4）和（5）可知，τ即为非平衡少数载流子的寿命，也即非平衡载流子减少到原来1/e 所经历的时间就是其寿命。因而如果能测出非平衡载流子浓度的衰减曲线，根据数据处理和拟合，求出曲线中浓度为原来1/e 所对应的时间就能测量出寿命。

3、非平衡载流子的寿命测量的常见方法

实验测量非平衡载流子寿命的方法均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。而在上述原理的基础上，结合具体情况和不同半导体的特点，就出现了多种检测方法。不同的注入方式和检测手段的组合就形成了许多寿命测量方法。目前用得最多最广泛的是直流光电导衰减法，除此之外还有高频光电导衰减法，光磁电法，扩散长度法，双脉冲法，漂移法等。

4、高频光电导衰减法的原理

利用高频电源提供高频恒定峰值电流流经被测半导体，当红外光源脉冲照射样品时，半导体内部即产生了非平衡载流子，使样品产生附加电导，样品电阻下降。由于流经半导体电流峰值恒定，此时电流增加△I 。在光照消失后，△I 逐渐衰退，其衰退的速度与非平衡载流子的衰减相一致，即△I 也以指数形式衰减，故而二者的寿命相同。而根据欧姆定律，样品上产生的电压变化△V 也按相同规律变化。即：

其实验装置原理图如图1所示：

调幅高频信号经过检波器解调和高频滤波，在经过宽频放大器放大后输入到示波器，从而在示波器中显示出一条如图2 所示的指数衰减曲线，其常数τ即为所要求得的非平衡载流子寿命。 ()()(2)d p t p t dt τ

∆∆-=()(3)t p t Ce τ-∆=()()0(4)

t p t p e τ-∆=∆0000p()d p()d t d d (5)t t t t t t t t e t e t τττ∞∞∞∞--

=∆∆==⎰⎰⎰⎰0(6)

t

V V e τ-∆=∆

图1 光注入引起的附加电导

图2 半导体电压衰减曲线

二、实验操作步骤

（1）接上电源线及用高频连接线将LT-2型单晶少子寿命测试仪主机与示波器输入端接通。开启主机及示波器，预热15分钟。调节检波电压，使其为零。

（2）将清理好的被测半导体置于电极上面，此时检波电压表将会显示检波电压。如果样品很轻，可用适当重物压在上面以保证测试样品与电极良好接触。

（3）打开红外红外光源开关，调节电压调节器W1，是光照强度处于合适水平。

（4）调整示波器电平及释抑时间内同步，Y轴衰减X轴扫描机曲线的上下左右位置，使仪器输出的指数衰减光电信号波形稳定下来，并与屏幕的标准指数曲线尽量吻合。

（5）测量完成后一次关闭仪器。

三、注意事项

1、如果光电导信号衰减波形部分偏离指数曲线，一般视情况作如下处理：

（1）如果波形初始部分衰减较快，则用波形较后部分测量，即除去表面复合引起的高次模部分读数（见图3）。

（2）如果波形头部出现平顶现象，说明信号太强（见图4），则应减弱光强，保证小信号下测量。

2、为保证测量的准确性，实验应满足小注入条件，因而要在保证可读数的情况下尽可能使用小功率电源，示波器尽量使用大的倍率。