电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 用光电导衰遇法测寿命时所关心的是非平衡载流子随时间的衰退速率,它由三部分所 组成,即体复合率,电场引起的衰减率(出E2)2以及表面复合率R4 R, 为了正确测量寿命,要求体复合率占主导地位,而电及袋面的影响降低到最小。下面 来进行详细分析。 1.表面复合率的影响2 网http 在浬沧上最简单,实验要的是S.=S=S。=∞的情况,这相当于表面复合率 很高的条件。由式(1-69)得到s=r,=2,5=-,这里i=1、2、3… j=1、2、3…;h=1、2、3……;表面复合率配为 =4D(++ar +2 (1-72) 般长条状样品的长度为2A>2B,只要取A>BC时,衰退信号主要受B、C面的表 面复合率影响,也就是R1主要由2B、2C的尺寸来决定,与长度2A无关。此时表面复合 革为: R (1-73) 前面提到、公、会具有波数的意义,因此称=k=1的模为基模,>1,6>1的 为高次模。、贞愈大,表面衰遇率愈快,高次模的衰退比基模哀退快得多。例如2B=2C 的方形截面样品R3为R1的5倍,因而可以予期衰退曲线降到它的最大值的以后,高 次模式的分布对载流子的衰退可以忽略不计。非平衡载流子浓度主要取决于基模分布,于 是有效衰退速率可以表示为 1=1+P1= (1-74) 为了使载流子的有效衰退率1更趋于体复合率,而要选足够大的截面的样品。在猜 确的测量中要求R<吉+.这样观测的有效命m为体寿命的0,8倍,表面复合 率占20%。这样即使测定R1的误差有10%(这由S、2B、2C测量引起),那么对体寿命 测量误差的影响也只有2%在样品藏面为方形时,R1=2因要求R;≤31 即B2≥23D,或B≥5Dr=5L。也就说样品厚度应大于10倍扩散长度。 2,直流电场的影响 由式(170)和式(174)可知,只有当E4D≤=1+R1时电场引起的裁 http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 流子疏散作用可以忽略。因而可以定义个临界电场,测量时所用的电场应在临界电场以 A2E2/4 D 4D (1-75) 其中利用了爱因断卷看劳个。室温下灯=电子伏,代人式(7)中可以得 到 P 10v (有的单位是秒) 300 H有姓 (τ有单位是微秒) 1-76) 通常把yrm称为临界电场强度。 到此,已基本从理论上阐明了在被测样品足够大时表面复合可以忽略不计,所测样品 上的电场在临界值以下的情况下,用光脉冲注入非平衡载流子,脉冲截止后非平衡载流子 按指数规律衰退,这个衰退常数即是体寿命。 四、光电导衰退法的测量原理 当半导体材料中产生了非平衡载流子后就会引起样品电导率的改变,使通过样品的电 流或样品上的电压发生变化,然后就依据电流或电压信号的衰减规律测量出菲平衡载流子 的寿命。样品上所加电压可以是直流电压也可以是高频交流电压。前者称为直流光电导, 后者称为高频光电导。 以下再深入探讨这两种方法的测量原理 1.直流光电导衰退法22 图132示出了直流光电导衰退法测量少子寿命的示意图。P为直流电源,它在样品 中产生的电场的大小应满足如下不等式 E≤300/vr 式中的μ为迁移率(厘米伏·秒),一般应取少子迁移率。R4是回路中的外加串联电 阻,它的作用是保证回路是恒流的,使回路电流不受样品电阻因光照而变化的影响,因此 它的大小应是样品电阻值的20倍。为了测量不同的样品,还要求直流电源和电阻R2是可 调的。应把整个样品装在一个金属盒子中,以屏蔽外电场。此外,样品光照部分应是占总 长1/2的中心部分;而两端将光脉冲挡住,避兔在电极附近产生非平衡载流子,因为这种 载流子在尚未复合掉之前就可以被电场扫至电极,从而影响寿命值的测准。 为了讨论方便起见,可将测量原理图变成如图1-32(b)所示的等效电路。这个电路 是恒流电路,恒流的大小为。设样品的电阻率为P,长度为l,截面积为S,那么它的 电阻为 http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 前置放大器 水冲光 示被据 图1-32流光电导测量装置示意图(a)及其等效电路(b R 样品上无光照时,样品内无非平衡载流子,样品两端电压为: V=IR (1-77 若给样品以光照,样品中就产生了非平衡载流子,引起电导增加,电阻下降。样品上有光 照时,假设样品电阻变化量为ΔR,那么样品两端的电压变化量 (1-78) 下面再进一步考察一下,样品两端的电压变化量与非平衡载流子之间存在什么关系 A=·A(p (1-79) 设样品在无光照时的电导率为oo,光照后的电导率为σ,那么可得到 2 代人式(1-79)后得 (1-81) 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,因此样品电导率的 变化也较小,此时即满足小注入的条件:~,- 这样又可进一步简化上式 △ (1-82 又若对一块n型样品来说, Δσ=△p(qμ+q)=△pHpq(1+b) (1-83 式中,△P为光激发的非平衡载流子浓度;Pp、H分别为空穴和电子的迁移率,b=2。 将式(1-83)代入式(1-82)得到 W1Sg(μ+2)△P http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 4y≈-r△Pb十 (184) 般把项称为注入比,由式(184)可以看出,在小注入的务熊下,与注入比成 正比,而且△Z∝△P。也就是说可以用样品上的电压变来反映非平衡载流子的变化。在 示波器上反映的是△F的衰减(假定示波器的线性不失真的话),△V=△,而△p= △Pe-",因为在小注入条线变公P△p ,所以τ=v。也就是说,由示波器的电压衰减 曲线所得到的v就是样品中的少子寿命。 在大注人的情况下(.>1%,在以上公式推导过程中的近似假设~就带来较大 的误差。更严格的推导可以得到 △F △p1+b (1-85) b 而由△和△的指数衰减关系可以得到 △J=△JeH/rr 将式(1-86)和式(1-87)进行微分 d(△p) △poe (-1)=-△P1 由此得到 r△p7d△i (1-88) 将式(186)进行微分,并忽略(4)项可得到 d(△r)/dt(1+b)F d(△pdr-n0b (1-89) 把式(1-85)和式(1-89)分别代入式(1-88)可以得到 由式(1-90)可看出,在大注入的情况下,由丁4与△P不成正比,因此电压衰减曲线的 时间常数x与非平衡载流子衰减曲线的时间常数不同,两者相差一个与让有关的系数 1-)。注入比越大,该系散越小非平衡载流子的有效寿命比小得更多些。在 大注入的情况下要利用式(1-90)来进行修正 http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 2.高频光电导衰退法t23〕 高频光电导测寿命装置的示意图如图1-3所示。将被测半导体材料放在金属电极(镀 银的铜板)上。样品在无光照的情况下,在高频电磁场的作用(高频电场频率一般选30兆 赫左右)下,由高频源经过样品,取讯号电阻流过了一个频率和高频源相同的高频电流 式中,J为无光照时样品中高频电流的幅值;a为高频源务cOm i= mInot (1~91 如图1-3所示,当样品上受到光照射时,样品被光激发,产生非平衡少数载流子,共 电导率增加使品的电阻誠小,因此横最上流过的高频电流的幅值增加。所增加的电流 幅值记为△,则光照时样品的电流应为 i=(lk÷△I) sino (1-92) 当停止样品的光照后,样品中的非平衡载流子就按指数规律衰减,还渐复合而消失 因此样品中的高频电流的幅值也要逐渐减小,最后恢复到光照时的幅值ⅠM。上述高频电流 幅值的变化称为高频电流受到了调制。其变化规律也应是按指数规律衰减,此时,在光照 停止后样品的电流应是一个调幅波 存在电容 控被管 30兆赫 脉冲光 高频 图1-33交流高频光电导测量装置示意图 (x+△oe') SInG (1-93) 式中的△I0e项表示高频电流幅值按指数规律衰减,τ就是非平衡载流子的寿命。 在以上三种情况下样品中高频电流的幅值随时间变化的关系可以用图134表示出来。 由图可以看出,无光照和长期光照时样品中电流都是一个等幅高频电流,但后者的幅值比 前者高出ΔⅠ,光照停止后样品中的电流是一个调幅的高频电流。 A 光照停止后 图1-34三种情况下样品中高频电流幅值的变化 http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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