华南理工大学半导体物理器件实验讲义（2012级） - 图文(6)

?n(t)?e?t/?

(3-9)

式中 ? 为衰退常数；在一定的条件下，它代表非平衡少数载流子的寿命。这样，就可以从测量 ?V(t) 随时间的衰退来判断非平衡少数载流子的寿命 ?。

由图 3-2 可见，曲线前一段（AB）的下降速度比指数规律快得多，而后一段（BC）

则基本上按指数规律变化。AB 段下降很快并不反映体内非平衡少数载流子的消失过程，而只是代表紧靠表面处（距表面距离小于一个扩散长度）的非平衡载流子直接在表面能级上复合而迅速消失的过程；但 BC 段则代表表面层内非平衡载流子迅速消失后 ?p 继续衰退的过程。从 BC 段测出来的 1/?f 值，在一般情况下并不代表体复合率 1/?，而是体复合率 1/? 和表面复合率 1/?a 之和。这样，在表面层非平衡载流子很快消失以后，体内的非平衡载流子在体内复合的同时，还向表面扩散并在表面复合，从而加速体内非平衡载流子的消失过程。表面复合速度越快，样品尺寸越小，则表面复合作用相对于体内复合作用就增加，1/?a 就加大。

因此，由 ?V(t) 下降曲线的 BC 段服从指数规律的部分测出 1/?f，再利用式

(3-10)或式 (3-11) 就可以求出寿命 1/?。对于长方体样品，有

1??11??1??2D?2?2?2??f?ABC?1

(3-10)

对于圆形样品，则

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1??1??1??2D?2?2??fd??C1

(3-11)

式中：A、B 和 C 分别为长方体的长、宽和高，d 为圆的直径，其单位为 cm；? 和 ?f 分别为样品的体寿命和表观寿命；D 为载流子的扩散系数。对于重掺杂的 p 型样品， D ? Dp；对于重掺杂的 n 型样品， D ? Dn。

如果样品的尺寸足够大，则表面复合可忽略，从 ?V(t) 衰退曲线服从指数规律

部分测出的衰退常数 ?f 即为体寿命。

三、实验装置

前面已经给出实验装置简图（见图 3-1），下面对各部分加以简单说明。

1．红外光源

由双基极二极管触发电路产生 20 ? 30 次/s 的尖脉冲，推动射极耦合单稳态电

路，产生约 60 ?s 的矩形脉冲；该脉冲经过多次射极跟随器进行电流放大，最后推动由开关管组成的开关电路。红外发光管为 F71D 型，其波长为 1.09 ?m，最大脉冲工作电流为 15 A。采用调节开关电路电源电压来调节光强，即调节电位器 KW 可

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使电压由 0 升至 25 V。光脉冲发生器是本部分的主要设备，本实验的要求包括： (1) 短脉冲光 要求光源发出的光从光强的最大值降到零所需的时间越短越好，即认为光强是骤然停止的，以便能观察光照骤然停止后光电导的衰退情况。要求所产生脉冲光的余辉时间应尽可能短（余辉时间为从最大光强减少到其十分之一的时间），它应小于所测样品最小寿命的二分之一。

(2) 光脉冲足够强 要求产生的非平衡少数载流子不致太少，以免所得到的信号过于微弱而难于测量，但又要满足小信号条件。

2．高频源

采用 30 MHz 的石英晶体振荡器组成振荡电路，进行两级功率放大后输出。

3．放大器

放大器分五级，第一级采用射极输出级，第二级为电压放大级，第三级为射极输

出作隔离，第四级为电压放大级，第五级作射极输出级。放大器的放大倍数约为 25 倍，为避免干扰，把放大器装在屏蔽盒内。

4．示波器在选择和使用时应注意的事项

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由于光电导信号是脉冲信号，因此必须选用脉冲示波器。脉冲示波器的触发扫描

时间应满足测量寿命的要求。对于 SBE-5 型同步示波器，为显示理想波形，可按如下方法调节：

(1) 调样品电流，即改变样品电场强度，使波形合适。

(2) 调节示波器的“稳定调节”和“触发增幅”旋钮，使波形合适。 (3) 在荧光屏显示合适的曲线后，再与标准曲线相对照，即可读出寿命。

SBE-5 有时标装置，用一个固定频率的正弦电压接到示波管的栅极，以调制阳

极射线束的强弱，在荧光屏上所见的信号曲线为明、暗相间的点，相邻亮点之间的时间已经标明，用该“时标”可直接读出衰退到各点所需的时间。测量时必须注意：波形调好后，扫描和触发旋钮不能再变动；否则，“时标”读出的时间就不是测量值。

5．测量中值得注意的几个问题

(1) 严格控制“注入比”

注入比 K 为

K??VkV

(3-12)

式中 ?V 为示波器上测出的信号电压值，k 是前置放大器的放大倍数，V 是检波器后面的电压表指示值。特别是有些对注入比很灵敏的样品，要注意其寿命值随注入大

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小的变化，应取减小注入时寿命值已基本不变时的值。 (2) 表面复合的影响

衰退曲线初始部分的快衰退是由表面复合引起的，用硅滤光片把非贯穿光去掉可消除其影响。此外，在读数时，去掉信号幅度的头部（大约幅度的前 1/3 处），然后再开始读数。其值比较准确。表面复合引起的变化如图 3-2 中实线 a 所示。 (3) 陷阱效应的影响

在有非平衡载流子出现的情况下，半导体中的某些杂质能级中所具有的电子数也会发生变化。电子数的增加可看作电子积累，而电子数减少可看作空穴积累。这种积累非平衡载流子的现象称为陷阱效应。所陷落的载流子通常要经过较长的时间才能逐渐释放出来，因而造成衰退曲线后部分的衰退速率变慢，即所谓拖尾巴（见图 3-2 中的实线 b）。将样品加热到 50 ? 70?C，或用恒定光照射样品底部，先将陷阱填满，则可消除陷阱效应。

(4) 另一种情况是曲线的头部被削成平顶，如图 3-3 所示。造成这种现象的原因有二：一是高频振荡电压过高，减小高频振荡器的输出功率即可好转；二是闪光灯的光强太强，降低闪光灯的放电电压、加硅滤光片或减小光栏的孔径等，可把波形矫正。

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