华南理工大学半导体物理器件实验讲义（2012级） - 图文(5)

实验二 高频光电导衰退法测量硅（锗）单晶少子寿命

一、实验目的

半导体材料中的非平衡少数载流子（简称少子）寿命 ? 是与半导体中重金属和

氧含量以及晶体结构完整性直接相关的物理量，它既是表征单晶质量的重要参数之一，又是影响器件质量的一个重要参数。其测试方法主要有稳态法和瞬态法两大类。稳态法又称间接法，分为表面光电压法和光电磁法等，它必须依赖材料少子扩散系数而得到少子寿命 ?，然而它只能测量短寿命。瞬态法又称直接法，这种方法利用脉冲电或闪光在半导体材料中激发出非平衡载流子来调制半导体材料的体电阻，通过测量体电阻或其两端电压的变化规律直接观察半导体材料中非平衡载流子的衰减过程，从而测定其寿命。这类方法包括光电导衰退法和双脉冲法等[1?4]。

当半导体材料中产生了非平衡载流子以后，会引起样品电导率的改变，使通过样

品上的电流或电压发生变化，然后根据其信号的衰减规律测量出非平衡载流子的寿命。样品上所加的信号可以是直流，也可以是交流。前者称为直流光电导，后者称为高频光电导。由于

高频光电导衰退法是在直流光电导衰退法基础上发展起来的，

它不需要切割样品及做欧姆电极，测量简便，因此得到广泛应用。这种方法采用电容耦合，对样品直径和电阻率均有要求，但磁环取样放宽了材料电阻率的下限。本实验

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目的是学习并掌握高频光电导衰退法测量硅单晶少子寿命的原理和方法。

二、实验原理

当用可见光或近红外光照射半导体样品时，样品因受激励而产生非平衡载流子。

这时样品的电导 ? 为

???0???

(3-1)

式中 ?0 为样品平衡时的电导；?? 为光电导，意即由光照引起的非平衡电导。

由《半导体物理》中知道，光电导正比于样品内非平衡载流子的总数。因此，光

电导随时间的变化 ??(t) 就反映了体内非平衡载流子总数随时间的变化 ?p(t)，即

??(t)??p(t)

(3-2)

当光照停止后，由于非平衡载流子的复合，使光电导按指数规律衰减；其光电导 ?? 的衰退过程，也就反映了 ?p 的衰退过程。

高频光电导测试装置如图 3-1 所示，主要由光学和电学两大部分组成。图 3-1a

中 R2 为取样电阻。

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图 3-1 高频光电导测量装置简图 (a) 装置总框图，其中 1 为滤光片，2 为透镜，3 为光

栏；

(b) 氙灯光源框图； (c) 高频光电导取信号回路的等效电路

本实验采用砷化镓红外光源。当红外光源的脉冲光照射到样品（样品由恒压源供

电）时，流经样品的电流发生变化，R2 上的取样电压也发生类似的变化；该调幅高频信号经检波器解调和高频滤波，再经宽频带放大器放大后输入脉冲示波器。这样，在脉冲示波器荧光屏上直接显示光电导的衰退过程。

30 MHz 的高频电源送出等幅的正弦波，经耦合至样品时，产生同频率的高频

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电流，有

i0?I0sin?t

(3-3)

式中 I0 为无光照时样品中高频电流的幅值，? 为角频率。此高频电流由另一电极耦合到检测电路的取样电阻 R2 的支路中。

当脉冲光以小注入条件照射样品时，产生了非平衡载流子，使样品的电导率增加。

由于高频电源为恒压输出，因此样品中的高频电流的幅值增加 ?I，使光照时样品中的高频电流变为

i??I??I?sin?t?i0??i

(3-4)

因此，在小注入条件下，流经样品的电流随电导的变化为

?i?i?i0?V??V0?0

(3-5)

由于采用恒压源供电，在小信号条件下，电压不发生变化，即 V = V0；而电导发生变化，因此得

?i?V0(???0)?V0????p

(3-6)

由上式可见，样品内电流的变化反映样品内非平衡载流子总数的变化，即

?i(t)??p(t)23

(3-7)

因此，如果用一个持续时间很短的“脉冲光”照射样品，则样品反复地发生非平

衡载流子的产生及衰减过程。相应地，流经样品的电流也发生类似的变化。R2 上的取样信号也按相同规律变化。如果把该电压加在示波器上，就能观察到 ?V(t) 的衰减曲线，如图 3-2 中的实线所示。该曲线代表样品内非平衡载流子总数随时间的衰退过程。

图 3-2 ?V(t) 的衰减曲线

从《半导体物理》中知道，非平衡载流子随时间的衰退规律为指数关系，即

?p(t)?e?t/?

(3-8) 或

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