少子壽命測試原理

1、少子壽命原理及其影響因素 1. 半導體簡介 2. 非平衡載流子及少子壽命 3. 少子壽命影響因素1. 半導體 (Semiconductor) 硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等 導電性介于導體和絕緣體之間(10-4 1010 cm)硅(Silicon) 金剛石結(jié)構(gòu)，每個硅原子與四個硅原子相鄰，形成正四面體結(jié)構(gòu)相鄰原子之間共用電子對形成共價鍵能帶(energy band) 導帶、價帶、禁帶寬度 載流子：電子(自由電子、electron)、空穴(hole)電子空穴ECEV1.12 eV電子帶負電空穴帶正電摻雜 為得到一定的載流子濃度而摻入電活性的雜質(zhì)。 通常P型摻雜摻B； N型摻雜摻P。

2、ECEVEDECEVEA P型摻雜(III族)：B、Al、Ga、In N型摻雜(V族)：P、As、Sb 均為淺能級雜質(zhì) 常溫下，非重摻，P型硅的空穴濃度等于P型摻雜劑濃度；N型硅的電子濃度等于N型摻雜劑濃度。 P型硅的載流子絕大部分為空穴?？昭槎鄶?shù)載流子(majority carrier)，簡稱多子；電子為少數(shù)載流子(minority carrier)，簡稱少子。 N型硅的載流子絕大部分為電子。電子為多子，空穴為少子。3. 非平衡載流子 平衡狀態(tài)下，電子空穴對的產(chǎn)生和復合率相等。電子和空穴濃度n、p不變。復合EV產(chǎn)生EC 受外界因素(光照、載流子注入等)影響比平衡狀態(tài)下多出來的載流子。ECE

3、Vh非平衡載流子濃度為n、p。n = p 在光激發(fā)下，一開始載流子產(chǎn)生率G大于復合率R，導致載流子增加。到穩(wěn)態(tài)時G = R，此時載流子濃度趨于穩(wěn)定。 電子和空穴濃度： n = n0 + n；p = p0 + p n0 、p0分別為平衡時電子和空穴的濃度。 當光激發(fā)撤銷時，一開始產(chǎn)生率小于復合速率，導致n、p不斷衰減，最后當恢復到平衡狀態(tài)時n = p = 0；G = R。 在這過程中，凈的復合率U = R G 此過程即稱為非平衡載流子的復合(recombination)過程。ndtndU 若定義非平衡載流子單位時間的復合概率為1/，則tenn0)( 非平衡載流子呈指數(shù)衰減 為載流子的復合壽命 的

4、物理意義：非平衡載流子的平均生存時間。 越大，載流子復合能力愈弱。衰減得越慢； 越小，衰減得越快。 因為非平衡載流子對少子濃度影響極大，所以稱為少子壽命 少子壽命一般指少子復合壽命。 影響少子壽命因素很多，影響機制極復雜。少子壽命的作用 太陽能電池光電流是光激發(fā)產(chǎn)生非平衡載流子，并在pn結(jié)作用下流動產(chǎn)生的。 載流子的復合會使光電流減少。少子壽命越小光電流越小。 同時少子壽命減小，增加漏電流使開路電壓減小。 總之，少子壽命越小，電池效率越低。4. 少子壽命影響因素 金屬雜質(zhì) 缺陷（晶界及位錯） 電阻率、溫度、硅片厚度等 實際測量得到的是體復合和表面復合共同作用的少子壽命 1. 本征復合(直接復合

5、) 輻射復合：電子和空穴直接復合，輻射出光子。 Auger復合：電子和空穴直接復合，激發(fā)另一電子和空穴。體復合機制 在硅中低注入水平下并非主要復合過程 2. 間接復合： 通過復合中心復合。 復合中心為深能級雜質(zhì)。 為硅中的主要復合形式。1. 電子的發(fā)射2. 電子的俘獲3. 空穴的俘獲4. 空穴的發(fā)射 SRH(Shockley-Read-Hall)模型n0和p0分別是電子和空穴的俘獲時間常數(shù)。n1和p1分別為費米能級處于復合中心能級Et時電子和空穴的濃度。1. 復合中心能級Et越深少子壽命越小，所以深能級雜質(zhì)對少子壽命影響極大，即使少量深能級雜質(zhì)也能大大降低少子壽命。過渡金屬雜質(zhì)往往是深能級雜質(zhì)

6、，如Fe、Cr、Mo等雜質(zhì)。 2. 電阻率的影響 隨著電阻率的增大，少子壽命也不斷增大。 3. 溫度變化強烈影響少子壽命。但是影響規(guī)律十分復雜。一般為隨溫度上升少子壽命先降后升。表面復合 前面幾種只是涉及體復合，但是由于硅表面存在懸掛鍵形成表面復合中心。在表面也產(chǎn)生復合，從而使測試體少子壽命時產(chǎn)生偏差。 有用的是體少子壽命。 表面復合率Us等于表面復合速率S乘以非平衡載流子濃度。 US=S n S的單位為速度單位。S的大小取決于表面狀態(tài)，對于裸片S約為50000 cm/s。對于各種鈍化方法S可小于10cm/s。有效壽命 在多種獨立的復合機制下的實際的壽命為有效少子壽命。即為測試得到的少子壽命值

7、。有效少子壽命總是低于任何復合機制的壽命。影響有效少子壽命的因素 低注入水平下，中等摻雜，輻射壽命和Auger壽命遠高于間接復合壽命。因此只有間接復合影響體少子壽命。 考慮到體復合和表面復合的共同作用，有如下關系 有效少子壽命與體少子壽命由于有表面復合產(chǎn)生偏差。 W為硅片厚度Dn為電子的擴散系數(shù)。因此硅片厚度和表面復合速率是影響有效壽命的重要因素。 體少子壽命越大，表面復合速率越大，偏差越大。 厚度越薄，偏差越大 當表面狀態(tài)一定時，體少子壽命降低，有效少子壽命也降低。 鑄造多晶硅錠中，從底部到頭部，從邊緣到中心，氧濃度逐漸降低。雖然低于溶解度的間隙氧并不顯電學活性，但是當間隙氧的濃度高于其溶解度時，就會有熱施主、新施主和氧沉淀生成，進一步產(chǎn)生位錯、層錯，從而成為少數(shù)載流子的復合中心雜質(zhì) 鐵由于具有較大的固相擴散系數(shù)和擴散速度另一方面鐵的分凝系數(shù)較小，在結(jié)晶的過程中，鐵原子不斷地向硅錠頂部聚集，從而也導致頂部鐵濃度較高，鐵的分布呈現(xiàn)兩端濃度較大，中間部分濃度較小且分布均勻的特點。 所以鑄造多晶硅硅錠兩端分別存在著一個低壽命區(qū)域。 晶界存在著一系列界面狀態(tài)，有界面勢壘，存在懸掛鍵，故晶界本身就有電學活性，而當雜質(zhì)偏聚或沉淀于此時，它的電學活性會進一步增強，而成為少數(shù)載流子的復合中心。但共同的看法都是雜質(zhì)都很容易在晶界處偏