半导体少子寿命测量实验.docx

实验：半导体少子寿命的测量•实验的目的与意义非平衡少数载流子(少子)寿命是半导体材料与器件的一个重要参数其测量方法主要 有稳态法和瞬态法高频光电导衰退法是瞬态测量方法，它可以通过直接观测少子的复合衰 减过程测得其寿命通过采用高频光电导衰退法测量半导体硅的少子寿命，加深学生对半导体非平衡载流子 理论的理解，使学生学会用高频光电导测试仪和示波器来测量半导体少子寿命二•实验原理半导体在一定温度下，处于热平衡状态半导体内部载流子的产生和复合速度相等电 子和空穴的浓度一定，如果对半导体施加外界作用，如光、电等，平衡态受到破坏这时载 流子的产生超过了复合，即产生了非平衡载流子当外界作用停止后，载流子的复合超过产 生，非平衡少数载流子因复合而逐渐消失半导体又恢复平衡态载流子的寿命就是非平衡 载流子从产生到复合所经历的平均生存时间，以T来表示下面我们讨论外界作用停止后载流子复合的一般规律当以恒定光源照射一块均匀掺杂的n型半导体时，在半导体内部将均匀地产生非平衡载 流子An和Ap设在t=0时刻停止光照，则非平衡载流子的减少-dAp/dt应等于非平衡载流子的复合率Ap (t)/s1/t为非平衡载流子的复合几率。

即:(IT)d^p _ Apdt t在小注入条件下, 可解得：t为常量，与Ap (t)无关，这样由初始条件:Ap (0) = ( Ap)00(1—2)由上式可以看出:1、 非平衡载流子浓度在光照停止后以指数形式衰减，Ap (x) =0,即非平衡载流子浓度随 着时间的推移而逐渐消失2、 当t=T时，Ap (t) = ( Ap) 0/e即寿命t是非平衡载流子浓度减少到初始值的1/e倍 所经过的时间因此，可通过实验的方法测出非平衡载流子对时间的指数衰减曲线，由 此测得到少子寿命值t图1-1高频光电导衰退法测量原理图高频光电导衰减法测量原理如图1-1所示样品两端以电容耦合的方式与 咼频振荡源的输出和检波器的输入端相连接1 Co R高烦电圧温 Fo图1-2测量等效电路图图1-2是等效电路图C0为耦合电容，人为样品电阻振荡源产生的高频电流通过样品图1-3样品中高频电流的幅值变化无光照时，样品的电导率o0=q(“/0+伊0)为一定值，故高频电流的幅值恒定如图 1-3 (a)所示i=I加有光照时，由于样品中产生了非平衡载流子，样品的电导率增大， 引起附加电导gAa 二 pp An + qp Ap 二 qC + 卩 kp (1-3)n p n p光照停止后，非平衡载流子将由于复合而减少，附加电导逐渐减少，样品的电阻增大, 回路电流的幅度又恢复到光照前的水平。

1-3)式应用了An=Ap，这是因为光生载流子是成 对产生的实际上，Ai=Aloe-tn, AI0为恒定光照下的电流增量，它只与光照照度有关从而回路电 流为：i=io+Ai^Imejo^+Aloet/T (1-4)即光照后回路高频电流的幅度受到了样品光电导变化的调制，其波形变化如图1-3 (b)所示这种光电导调制的高频电流在电阻R0上产生相应的高频电压调幅波： V=ImR0ej°t+Al0R0e t/T=^ejWt+AV0e t/T （I-5）这个高频电压调幅波经过检波电路，将其中的幅度衰减信号解调出来，再经过宽带放大 器放大，送至示波器，得到电压的指数衰减曲线为：AV=AV0e t/T （1-6）由曲线方程（1-6）,当AV衰减到1/e的时间时，即为少子寿命s如图1-4所示图1-4 AV衰减曲线三•实验内容采用高频光电导衰退法测量单晶硅的少子寿命，并观察光源经滤光片滤光后测试曲线的 变化四•实验仪器与样品哈尔滨工业大学自制的HM-HLT-1型高频光电导衰退法测少子寿命测试仪，DF8020A 型双踪示波器咼阻硅片样品五•实验步骤（一）准备1、 按图1-5将测试仪与示波器连接好2、 抽出测试仪活动仓门，放入待测样品后将仓门关紧，以防在测量时有强光逸出，影响调 试与读数。

3、 先打开示波器电源，在无信号输入的情况下调节示波器的初始状态将“输入”放在交 流，“方式”放在t，“扫描方式”放在自动，调节“位移”旋钮，使光标成为一条直线， 并与显示屏上的标准曲线横轴相重合4、将测试仪的频率调节和“光强调节”调至最小，打开测试仪电源图 1 -5 少子寿命测量系统（二）测试1、 少子寿命测试仪工作，闪光管放电，光强指示随着每次放电而抖动测试仪前置面板上“频率调节”、“光强调节”旋钮可调节光照闪烁频率与光强，按顺时针方向增大，一 般测试使用时，频率约在1Hz—2Hz之间，光强调节旋钮位置约为230V在测量时，如 果图形曲线发生截波失真现象，则应该将光强幅度减小2、 测试过程中的调节重点是示波器，先将“扫描方式”放在常态，对示波器显示系统进行 粗调，主要调节“电压/格”，“时间/格”旋钮，将荧光曲线调节到与标准曲线基本吻合， 如果没有荧光曲线出现，或者荧光曲线图形质量较差，就利用“电平”旋钮调整至满意 为止3、 最后用“电压/格”旋钮的微调使荧光曲线与标准曲线完全重合，如遇图形曲线有杂波， 可以通过继续微调“电平”旋钮来改善图形的质量4、 以上的步骤完成后，把测试仪上的“闪光频率”减小，就可以进行读数了。

记录示波器 的“电压/格”，“时间/格”值5、 观查在硅片上叠放滤光片与不叠放滤光片时，示波器显示曲线的变化记录曲线位置六．数据处理电压幅值衰减到最大值的1/e时，对应的时间即为所测样品的少子寿命测出的少子寿命值为：=“时间/格”值X2o5微调 电一时低/格 扌宜出it 5「 Ml 申珈一r 一、_¥1 电粽 外解炭交瞽扩JH电桃场0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2七．讨论题在测量硅片样品上叠加滤光片时，示波器显示的曲线发生怎样的变化？分析其变化 的原因叠加滤光片后，示波器显示的曲线位置调整后与原曲线重合由于公式AV=AV0e t/T中， t与光照无关，只与半导体和载流子有关，因此幅度曲线的形状不变，可以重合；光照稳定 时，光照强度和AV°正相关，滤光片使光强减弱，因此AV°变小八．实验思考与总结通过这次实验，我加深了对半导体非平衡载流子的理解，不同的外部环境，如光强、光色也 会对半导体非平衡载流子寿命产生影响，因此，在分析半导体非平衡载流子寿命时，应充分 考虑外部环境因素。