半導(dǎo)體少子壽命測量實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)：半導(dǎo)體少子壽命的測量一實(shí)驗(yàn)的目的與意義非平衡少數(shù)載流子（少子） 壽命是半導(dǎo)體材料與器件的一個(gè)重要參數(shù)。其測量方法主要有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。高頻光電導(dǎo)衰退法是瞬態(tài)測量方法，它可以通過直接觀測少子的復(fù)合衰減過程測得其壽命。通過采用高頻光電導(dǎo)衰退法測量半導(dǎo)體硅的少子壽命，加深學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體非平衡載流子理論的理解，使學(xué)生學(xué)會(huì)用高頻光電導(dǎo)測試儀和示波器來測量半導(dǎo)體少子壽命。二實(shí)驗(yàn)原理半導(dǎo)體在一定溫度下，處于熱平衡狀態(tài)。 半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的產(chǎn)生和復(fù)合速度相等。電子和空穴的濃度一定，如果對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用，如光、電等，平衡態(tài)受到破壞。這時(shí)載流子的產(chǎn)生超過了復(fù)合，即產(chǎn)生了非平衡載流子。當(dāng)外界作用停止后， 載

2、流子的復(fù)合超過產(chǎn)生，非平衡少數(shù)載流子因復(fù)合而逐漸消失。半導(dǎo)體又恢復(fù)平衡態(tài)。載流子的壽命就是非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合所經(jīng)歷的平均生存時(shí)間，以來表示。下面我們討論外界作用停止后載流子復(fù)合的一般規(guī)律。當(dāng)以恒定光源照射一塊均勻摻雜的n 型半導(dǎo)體時(shí)， 在半導(dǎo)體內(nèi)部將均勻地產(chǎn)生非平衡載流子 n 和p。設(shè)在 t=0時(shí)刻停止光照，則非平衡載流子的減少-dp/ dt 應(yīng)等于非平衡載流子的復(fù)合率p（ t ） /。 1/ 為非平衡載流子的復(fù)合幾率。即：d pp t（1-1 ）dt在小注入條件下，為常量，與p（ t ）無關(guān)，這樣由初始條件：p（ 0） =（p） 0可解得：p tp0 et（1-2）由上式可以看出：1、

3、 非平衡載流子濃度在光照停止后以指數(shù)形式衰減， p（ ） =0, 即非平衡載流子濃度隨著時(shí)間的推移而逐漸消失。2、 當(dāng) t= 時(shí)，p（ ）=（p） 0/ e。即壽命是非平衡載流子濃度減少到初始值的1/e倍所經(jīng)過的時(shí)間。因此，可通過實(shí)驗(yàn)的方法測出非平衡載流子對(duì)時(shí)間的指數(shù)衰減曲線，由此測得到少子壽命值 。圖1-1高頻光電導(dǎo)衰退法測量原理圖高頻光電導(dǎo)衰減法測量原理如圖 1-1 所示。樣品兩端以電容耦合的方式與高頻振蕩源的輸出和檢波器的輸入端相連接。圖 1-2 測量等效電路圖圖 1-2 是等效電路圖。 C0 為耦合電容， R 為樣品電阻。振蕩源產(chǎn)生的高頻電流通過樣品。圖 1-3 樣品中高頻電流的幅值變

4、化無光照時(shí)，樣品的電導(dǎo)率0=q （nn0+pp0）為一定值，故高頻電流的幅值恒定。如圖i t1-3 （ a）所示。 i=I me。有光照時(shí)，由于樣品中產(chǎn)生了非平衡載流子，樣品的電導(dǎo)率增大，引起附加電導(dǎo)。pnnqppqnpp（ 1-3）光照停止后，非平衡載流子將由于復(fù)合而減少，附加電導(dǎo)逐漸減少，樣品的電阻增大，回路電流的幅度又恢復(fù)到光照前的水平。（ 1-3）式應(yīng)用了n=p，這是因?yàn)楣馍d流子是成對(duì)產(chǎn)生的。實(shí)際上，i= I0e-t/ ， I0 為恒定光照下的電流增量，它只與光照照度有關(guān)。從而回路電流為：j t-t/ （ 1-4）i=i 0+ i=I me +I 0e即光照后回路高頻電流的幅度受到了

5、樣品光電導(dǎo)變化的調(diào)制，其波形變化如圖1-3（ b）DF8020A 型示波器少子壽命測試儀專用測試線所示。這種光電導(dǎo)調(diào)制的高頻電流在電阻R0 上產(chǎn)生相應(yīng)的高頻電壓調(diào)幅波：j t- t/ j t- t/ （ 1-5）V=I R e+ I R e=V e+ V em 00 0m0這個(gè)高頻電壓調(diào)幅波經(jīng)過檢波電路， 將其中的幅度衰減信號(hào)解調(diào)出來， 再經(jīng)過寬帶放大器放大，送至示波器，得到電壓的指數(shù)衰減曲線為：- t/ V= V0 e（ 1-6）由曲線方程（1-6），當(dāng) V 衰減到 1/e的時(shí)間時(shí)，即為少子壽命。如圖 1-4 所示。圖 1-4 V 衰減曲線三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容采用高頻光電導(dǎo)衰退法測量單晶硅的少子壽命，

6、 并觀察光源經(jīng)濾光片濾光后測試曲線的變化。四實(shí)驗(yàn)儀器與樣品哈爾濱工業(yè)大學(xué)自制的HM -HLT -1型高頻光電導(dǎo)衰退法測少子壽命測試儀，DF8020A型雙蹤示波器。高阻硅片樣品。五實(shí)驗(yàn)步驟（一）準(zhǔn)備1、 按圖 1-5 將測試儀與示波器連接好。2、 抽出測試儀活動(dòng)倉門， 放入待測樣品后將倉門關(guān)緊， 以防在測量時(shí)有強(qiáng)光逸出， 影響調(diào)試與讀數(shù)。3、 先打開示波器電源，在無信號(hào)輸入的情況下調(diào)節(jié)示波器的初始狀態(tài)。將“輸入”放在交流，“方式” 放在 Y1，“掃描方式” 放在自動(dòng)， 調(diào)節(jié)“位移” 旋鈕，使光標(biāo)成為一條直線，并與顯示屏上的標(biāo)準(zhǔn)曲線橫軸相重合。4、 將測試儀的頻率調(diào)節(jié)和“光強(qiáng)調(diào)節(jié)”調(diào)至最小，打開測

7、試儀電源。圖 1-5 少子壽命測量系統(tǒng)（二）測試1、 少子壽命測試儀工作， 閃光管放電， 光強(qiáng)指示隨著每次放電而抖動(dòng)。 測試儀前置面板上“頻率調(diào)節(jié)” 、“光強(qiáng)調(diào)節(jié)”旋鈕可調(diào)節(jié)光照閃爍頻率與光強(qiáng)，按順時(shí)針方向增大，一般測試使用時(shí)，頻率約在 1HZ 2HZ 之間，光強(qiáng)調(diào)節(jié)旋鈕位置約為 230V。在測量時(shí)，如果圖形曲線發(fā)生截波失真現(xiàn)象，則應(yīng)該將光強(qiáng)幅度減小。2、 測試過程中的調(diào)節(jié)重點(diǎn)是示波器，先將“掃描方式”放在常態(tài)，對(duì)示波器顯示系統(tǒng)進(jìn)行粗調(diào)，主要調(diào)節(jié) “電壓 / 格”，“時(shí)間 / 格”旋鈕，將熒光曲線調(diào)節(jié)到與標(biāo)準(zhǔn)曲線基本吻合，如果沒有熒光曲線出現(xiàn)，或者熒光曲線圖形質(zhì)量較差，就利用“電平”旋鈕調(diào)整至

8、滿意為止。3、 最后用“電壓 / 格” 旋鈕的微調(diào)使熒光曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線完全重合，如遇圖形曲線有雜波，可以通過繼續(xù)微調(diào)“電平”旋鈕來改善圖形的質(zhì)量。4、 以上的步驟完成后，把測試儀上的“閃光頻率”減小，就可以進(jìn)行讀數(shù)了。記錄示波器的“電壓 / 格”，“時(shí)間 / 格”值。5、 觀查在硅片上疊放濾光片與不疊放濾光片時(shí)，示波器顯示曲線的變化。記錄曲線位置。六數(shù)據(jù)處理電壓幅值衰減到最大值的 1/e 時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為所測樣品的少子壽命。測出的少子壽命值為： = “時(shí)間 / 格”值× 2。通過處理，對(duì)應(yīng) 2 格，一格代表0.2ms，則 =0.4ms1110987654321y = 10e-2.5x000.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.2七討論題在測量硅片樣品上疊加濾光片時(shí)， 示波器顯示的曲線發(fā)生怎樣的變化？分析其變化的原因。疊加濾光片后，示波器顯示的曲線位置調(diào)整后與原曲線重合。由于公式0 - t/ 中，V= V et 與光照無關(guān)，只與半導(dǎo)體和載流子有關(guān)，因此幅度曲線的形狀不變，可以重合；光