半导体中少数载流子寿命测量
半导体少子寿命测量实验
实验：半导体少子寿命的测量一．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Δn 和Δp 。
设在t=0时刻停止光照，则非平衡载流子的减少-d Δp /dt 应等于非平衡载流子的复合率Δp （t ）/τ。
1/τ为非平衡载流子的复合几率。
即： ()τt p dt p d ∆=∆- （1-1） 在小注入条件下，τ为常量，与Δp （t ）无关，这样由初始条件：Δp （0）=（Δp ）0可解得：()τt ep t p -∆=∆0 （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，Δp （∝）=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=τ时，Δp （τ）=（Δp ）0/e 。
即寿命τ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τ。
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。
高频光电导衰减法测量Si中少子寿命
高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命一、概 述半导体中的非平衡少数载流子寿命是与半导体中重金属含量、晶体结构完整性直接有关的物理量。
它对半导体太阳电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率等都有影响。
因此，掌握半导体中少数载流子寿命的测量方法是十分必要的。
测量非平衡少数载流子寿命的方法有许多种，分别属于瞬态法和稳态法两大类。
瞬态法是利用脉冲电或闪光在半导体中激发出非平衡载流子，改变半导体的体电阻，通过测量体电阻或两端电压的变化规律直接获得半导体材料的寿命。
这类方法包括光电导衰减法和双脉冲法。
稳态法是利用稳定的光照，使半导体中非平衡少子的分布达到稳定的状态，由测量半导体样品处在稳定的非平衡状态时的某些物理量来求得载流子的寿命。
例如：扩散长度法、稳态光电导法等。
光电导衰减法有直流光电导衰减法、高频光电导衰减法和微波光电导衰减法，其差别主要在于是用直流、高频电流还是用微波来提供检测样品中非平衡载流子的衰减过程的手段。
直流法是标准方法，高频法在Si 单晶质量检验中使用十分方便，而微波法则可以用于器件工艺线上测试晶片的工艺质量。
本实验采用高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命。
二、实验目的1．掌握用高频光电导衰减法测量Si 单晶中少数载流子寿命的原理和方法。
2. 加深对少数载流子寿命及其与样品其它物理参数关系的理解。
三、实验原理当能量大于半导体禁带宽度的光照射样品时，在样品中激发产生非平衡电子和空穴。
若样品中没有明显的陷阱效应，那么非平衡电子（∆n ）和空穴(∆p)的浓度相等，它们的寿命也就相同。
样品电导率的增加与少子浓度的关系为n q p q n p ∆+∆=∆μμσq ：电子电荷;µp 和µn 分别为空穴和电子的迁移率。
当去掉光照，少子密度将按指数衰减，即τte p -∝∆τ：少子寿命，表示光照消失后，非平衡少子在复合前平均存在的时间。
因此导致电导率τσte -∝∆也按指数规律衰减。
实验光电导衰退法测量单晶硅非平衡少数载流子寿命
应在样品与电极接触处涂以自来水，注意切勿涂到光照面上。 用弹力橡皮与样
2
品接触，旋紧螺丝，使样品紧压
在电板上。 根据被测样品的寿命值范围
选 择 光 源 ： τ<10μS; 选 用 红 外 光 源：τ>10μS 选用氙灯光源。
根据被测样品的电阻率选 择电表量程开关ρ>100Ώcm 选 择“高阻”挡，ρ<100Ώ cm 选用 “低阻”挡。
同而异，因此精度稍差。
高频光电导衰退法是国际通用方法。 本实验采用这种方法来测量非平衡少子的寿命，
它的优点是样品无须切割为一定的几何形状，对样品的几何尺寸要求不太严格，测量时不
必制作欧姆电极，因此样品较少受到污染，测试方法也较为简单，缺点是仪器线路比较复
杂，受干拢也大些。
本实验的目的在于熟悉高频光电导衰退法的测量原理，熟悉测量设备， 掌握测量方法。
一、实验原理
实验的原理框图见 12-1，从图看出， 高频源提供的高频电流流经被测样品。
当氙光源或红外光
源的脉冲光照射被测样 被
测
品时，单晶硅光照表面以 硅
单
及光贯穿深度范围内将 晶
高频源 脉冲光源
产生非平衡光生载流子，
这将使得样品产生附加
光电导，使样品的总电阻
取 样
下降。当高频信号源为恒
器
压输出时，流过样品的高
3
打开示波器电源，再起动单
实际曲线（起始段不吻合，衰减 340% ~ 50%以后与理想曲线吻合）
e—1= 0.37
时标打点
预先做好的标准指 数衰退曲线
o
规定的τ值取数范围
t
预先规定的坐标原点
晶仪，如选用氙灯光源，这时应 听见每秒一次的触发电离声氙灯
高频光电导法测少子寿命
实验6高频光电导法测少子寿命学习目标1、掌握高频光电导衰减法测量半导体单晶中少子寿命的实验原理；2、掌握高频光电导衰减法测量半导体单晶中少子寿命的实验方法；3、完成高频光电导衰减法测量半导体单晶中少子寿命的实验内容；4、加深理解少数载流子寿命与半导体其它半导体物理参数的关系。
建议学时：2学时原理半导体中非平衡少子寿命是是表征半导体单晶材料质量的重要物理量，与半导体中杂质、晶体结构缺陷直接有关。
少子寿命测量是半导体的常规测试项目之一。
光电导衰减法是指利用脉冲光在半导体中激发出非平衡载流子，导致半导体的体电阻发生改变，通过测量体电阻或两端电压的变化规律获得半导体中非平衡少子的寿命。
光电导衰减法又分为直流光电导衰减法、高频光电导衰减法和微波光电导衰减法，分别采用直流、高频电流以及微波加载在半导体样品上检测非平衡载流子的衰减过程。
直流法是标准方法，高频法使用方便，常用来检验单晶质量，而微波法常用于器件工艺线上测试晶片的工艺质量。
此外，还有扩散长度法、双脉冲法、漂移法以及光磁电法等测量寿命的方法。
本实验采用高频光电导衰减法测量半导体单晶中少子寿命。
1、理论基础当用能量大于半导体禁带宽度的光照射样品时，在样品中激发产生非平衡电子和空穴。
若样品中没有明显的陷阱效应，那么非平衡电子（∆n ）和空穴(∆p)的浓度相等，即∆n =∆p 。
即使在小注入的情况下，注入的非平衡少子的浓度也比热平衡状态少子的浓度大得多，所以在半导体中非平衡少子往往起着重要作用，通常所说的非平衡载流子都是指非平衡少子。
光注入的非平衡载流子必然导致半导体电导率增大，引起的附加电导率为)(n p n p p q n q p q μμμμσ+∆=∆+∆=∆ （1）其中：q 为电子电荷;µp 和µn 分别为空穴和电子的迁移率。
附加电导率可以采用如图1所示电路观察。
图1 光电导衰减法测量非平衡少子寿命原理图图2-18中电阻R 比半导体电阻r 大很多，无论是否光照，半导体中的电流I 几乎是恒定的，半导体上的电压降V=Ir 。
少子寿命测试原理
EC
ED
EC
EV
EV
EA
• P型掺杂(III族)：B、Al、Ga、In • N型掺杂(V族)：P、As、Sb • 均为浅能级杂质
• 常温下，非重掺，P型硅的空穴浓度等于 P型掺杂剂浓度；N型硅的电子浓度等于 N型掺杂剂浓度。
• P型硅的载流子绝大部分为空穴。空穴为多 数载流子(majority carrier)，简称多子；电 子为少数载流子(minority carrier)，简称少 子。
• N型硅的载流子绝大部分为电子。电子为多 子，空穴为少子。
3. 非平衡载流子
• 平衡状态下，电子空穴对的产生和复合 率相等。电子和空穴浓度n、p不变。
EC
产生 复合
EV
• 受外界因素(光照、载流子注入等)影响比 平衡状态下多出来的载流子。
EC
hν
非平衡载流子浓 度为Δn、Δp。
Δn = Δp
EV
位错
• 在多晶硅铸造过程中，由于热应力的作 用会导致位错的产生。另外，各种沉淀 的生成，及由于晶格尺寸的不匹配也会 导致位错的产生。这些位错本身就具有 悬挂键，存在电学活性，降低少数载流 子的寿命而且金属在此极易偏聚，对少 数载流子的降低就更加严重。
• SRH(Shockley-Read-Hall)模型
τn0和τp0分别是电子和空穴的俘获时间常 数。n1和p1分别为费米能级处于复合中心 能级Et时电子和空穴的浓度。
1. 复合中心能级Et越深少子寿命越小，所 以深能级杂质对少子寿命影响极大，即 使少量深能级杂质也能大大降低少子寿 命。过渡金属杂质往往是深能级杂质， 如Fe、Cr、Mo等杂质。
• 2. 电阻率的影响 • 随着电阻率的增大，少子寿命也不断增 大。
1.少子寿命测试及微波光电导衰退法
钝化前和钝化后的少子寿命值，图 1.1 作出了钝化前和钝化后的趋势。
表 1.3 钝化前和钝化后的少子寿命（单位为μs）
1 钝化前 钝化后 1.60 4.67
2 1.48 4.53
3 1.53 4.72
4 1.49 4.49
5 1.47 4.57
6 1.51 4.63
钝化前和钝化后少子寿命测试结果比较
表 1.1 几种少子寿命的测试技术
少子注入方式
测试方法 直流光电导衰退 表面电压法 交流光电流的相位 微波光电导衰减法 红外吸收法 电子束激励电流（SEM）
测定量 τ L（τB） τB τ τ τB，S
测量量范围 τ﹥10 s 1<L<500μm τB﹥10-8s τ﹥10-7s τ﹥10-5s τ﹥10-9s
-7
特性 τ的标准测试方法 吸收系数α值要精确 调制广的正弦波 非接触 非接触法光的矩形波 适于低阻
光注入
电子束
微波光电导衰退法测试少子寿命，包括光注入产生电子-空穴对和微波探测信号的变化 两个过程。激光注入产生电子-空穴对，样品电导率的增加，当撤去外界光注入时，电导率 随时间指数衰减， 这种趋势反映了少子的衰减趋势， 则可以通过观测电导率随时间变化的趋 势可以测少子的寿命。 而微波信号时探测电导率的变化， 依据微波信号的变化量与电导率的 变化量成正比的原理。 微波光电导衰减法（如 WT-1000B 少子寿命测试仪）测试的是半导体的有效寿命，实际 上包括体寿命和表面寿命。 测试少子寿命可有下式表示：
B
D=（4.63-1.56）=3.07。即，y=x+3.07，则设置后测试结果接近体寿命。 这样只是简单设置，要想得到更接近的值，需要做大量的实验和数据，统计结果，分 析后会得到更为接近体寿命的系数及数值。
半导体物理实验——高频光电导法测少子寿命
实验报告一、实验目的和任务1、了解光电导法测试少数载流子寿命的原理，熟练掌握LT-2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法；2、测非平衡载流子的寿命。
二、实验原理处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的。
这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。
半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。
如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。
处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度不再是n0和p0，可以比它们多出一部分。
比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称过剩载流子。
图3.1 光注入引起附加光电导寿命的全称是非平衡少数载流子寿命，它的含意是单晶在受到如光照或点触发的情况下会在表面及体内产生新的（非平衡）载流子，当外界作用撤消后，它们会通过单晶体内由重金属杂质和缺陷形成的复合中心逐渐消失，杂质、缺陷愈多非平衡载流子消失得愈快，在复合过程中少数载流子起主导和决定的作用。
这些非平衡少数载流子在单晶体内平均存在的时间就简称少子寿命。
图3.2 非平衡载流子随时间指数衰减曲线通常寿命是用实验方法测量的。
各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。
最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多。
不同的注入和检测方法的组合就形成了许多寿命测量方法。
三、实验设备本实验采用LT-2高频光电导少数载流子寿命测试仪。
该仪器灵敏度高，配备有红外光源，可测量包括集成电路级硅单晶在内的各种类型硅单晶及常用的晶体管级锗单晶。
该仪器根据国际通用方法—高频光电导衰退法的原理设计，由稳压电源、高频源、检波放大器、脉冲光源及样品电极共五部分组成，采用印刷电路和高频接插件连接。
整机结构紧凑，测量数据准确、可靠。
图3.7 单晶少子寿命测试仪和示波器连接示意图四、实验结论实验通过测电压间接的少子寿命指少子的平均生存时间，寿命标志少子浓度减少到原值的1/e所经历的时间，实验中便通过测量最高点电压减少到原值的1/e所经历的时间，与最高点多少无关；当样品含有重金属且存在缺陷时，会产生杂质能级，成为少子的复合中心，从而寿命降低。
少子寿命 测 试及 表 面处 理 和钝 化 方法 解析
少子寿命测试及表面处理和钝化方法解析少子寿命测试及表面处理和钝化方法解析少数载流子寿命(简称少子寿命)是半导体材料的一项重要参数，它对半导体器件的性能、太阳能电池的效率都有重要的影响，少子寿命高的话，电池效率相应的也高一点，少子寿命低的话，电池效率也会相应的变低。
鉴于目前 Semilab 少子寿命测试已在中国拥有众多的用户，并得到广大用户的一致认可。
现就少子寿命测试中，用户反映的一些问题做出如下说明，供您在工作中参考：1、Semilabμ-PCD 微波光电导少子寿命的原理微波光电导衰退法(Microwave photoconductivity decay)测试少子寿命，主要包括激光注入产生电子-空穴对和微波探测信号的变化这两个过程。
904nm 的激光注入（对于硅，注入深度大约为30um）产生电子-空穴对，导致样品电导率的增加，当撤去外界光注入时，电导率随时间指数衰减，这一趋势间接反映少数载流子的衰减趋势，从而通过微波探测电导率随时间变化的趋势就可以得到少数载流子的寿命。
少子寿命主要反映的是材料重金属沾污及缺陷的情况。
Semilab μ-PCD 符合ASTM 国际标准F 1535 - 002、少子寿命测试的几种方法通常少数载流子寿命是用实验方法测量的，各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。
最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多，如探测电导率的变化，探测微波反射或透射信号的变化等，这样组合就形成了许多寿命测试方法。
近30 年来发展了数十种测量寿命的方法，主要有：直流光电导衰退法；高频光电导衰退法；表面光电压法；少子脉冲漂移法；微波光电导衰减法等。
对于不同的测试方法，测试结果可能会有出入，因为不同的注入方法，表面状况的不同，探测和算法等也各不相同。
因此，少子寿命测试没有绝对的精度概念，也没有国际认定的标准样片的标准，只有重复性，分辨率的概念。
对于同一样品，不同测试方法之间需要作比对试验。
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v
示波器
o G
t
实验电路图
实验中使用的脉冲信号
平衡态
空穴 (positive)
内建电场
扩散流
电子(negative)
P
漂移流
N
当外加电压为零时，PN结处于平衡状态. PN结中有效电流为零。由载 流子分布不同造成的扩散电流与PN结边界外累积电荷所形成的内建场 产生的漂移电流抵消。
正向注入
内建电场
Ir
使用这个假定可以通过一次测量得到半导体中的少数载 流子寿命，而且准确度也比较好，如果要想更加准确的 得到半导体中少数载流子的寿命，必须考虑内部剩余电 荷的影响，可以解得（b为常数）Ts *[ln(1 I f / I r ) b]
实验结果
忽略内部载流子的分布，得到的实验结果：单位（ns）
(4)在实验过程中，取样电阻必须保持不变，否则会引起 很大的偏差，这是由连续性方程决定的。而且取样电阻 的选取必须保证二极管不会被击穿。
如何消除过冲?
使用同轴电缆进行测量即可消除过冲，而且增加了实验 的可靠度。
课题的结果
初步探究了各种参数对于少子寿命测量结果的影响以
及如何选取参数
对于设计性实验课程的体会
在抽取过程中,反向电流为 J J 0 (eqV / kT 1) 当反向电压V >> kT/q, 此时抽取电流 J 近似等于J0. 在边界处累积电荷没有被抽取完之前，电路中近似存在一个恒定电 流。当边界电荷被抽取完之后，内部电荷产生的复合电流呈指数衰减。
If
Ts
Ir
Tr
实验结果
如果不考虑内部少数载流子的分布，只考虑边界处累积 电荷的抽取，通过解连续性方程可以得到：Ts / ln(1 I f )
工程等）能够有交集，可以通过这个设计性物理实验 的平台来拓宽物理系学生的视野、培养综合能力
希望可以从大一开始就能够有机会参加一些比较简单
的课题研究，尽早培养独立探究的能力及兴趣
+
p
扩散流
N
(以空穴行为为例)
_
漂移流
正向电压
开始时先加上一个与内建电场方向相反的正向电压 ,由于它的作用使得PN结内部的 势垒变窄.。因此扩散电流要大于漂移电流，从而使得少数载流子能够越过势垒. 由 于复合效应，少数载流子的分布随着与PN结边界距离的增加而减小。
反向抽取
内建电场 扩散流
P
漂移流
N
06300190005 曹海元 指导教师：陆昉
研究目的
1.在半导体处于非平衡状态时（如外加电场），少数载 流子从产生到复合所用的平均时间称为少数载流子的 寿命
2.少数载流子寿命是由半导体材料性质、掺杂情况及半 导体中深能级缺陷所决定的参数，它对器件的特性起 着重要作用（如太阳能电池的光电转化效率）
3. 通常的光学测量方法很难测量器件中的少数载流子寿 命。使用反向恢复时间法测量半导体中少数载流子的 寿命，就能够克服光学方法的难点，测量器件中的少 子寿命。
原理
脉冲恢复法:将二极管和取样电阻串联接到信号发生器
的两端，让信号发生器输出如图所示的脉冲信号，用 示波器接在取样电阻的两端测量电阻两端电压（电路 中电流）随脉冲信号的变化情况。
自由的选题，可以用一个学期时间来做自己想做的、
有意思的课题，不必拘泥于时间的限制
独立进行科研的能力，在没有标准答案的情况下思考
问题
综合能力的培养：自学未知的领域、查阅文献、整理
实验结果、与学长及导师的交流和沟通、论文写 作……
对于未来的展望
希望能够有更多的选题
希望可以和别的学科（比如光科、材料、生物、电子
去除过冲的结果
如果考虑剩余电荷造成的影响，可以把测得正向电流、 反向电流与存储时间按照 Ts *[ln(1 I f / I r ) b] 进行线性拟合，得到的斜率即为我们所求的少数载流子 寿命。拟合结果：少子寿命为1033ns。
讨论
如何选取合适的实验条件? 实验中共有四个可调参数，取样电阻、正向脉冲电压、 负向脉冲电压、脉冲频率。实验中，这些参数的选取必 须受到一定的限制
(以空穴行为为例)
_
负向偏压
ห้องสมุดไป่ตู้在正向偏压之后，PN结两端又加上一个负向偏压, 它与内建电场的方向相同 , 因此 在PN结边缘处的积累电荷会被抽取出来.当边缘处的电荷被抽取完之后，内部的载 流子就会随着复合而消失。
+
在经历过正向偏压之后，少数载流子的分布为 n( x) n0 * e x / LD （x为到PN结边界的距离，LD为扩散长度）
(1) 正向电压要足够大（大于1.8V）使得正向载流子注 入达到饱和；但是也不能太大，否则就不满足小注 入条件。
(2) 反向电压不能太大（二极管两端小于1.3V),否则会造 成存储时间很短，影响测量精度。
(3) 脉冲时间要足够长（频率一般小于100kHz），否则正 向注入或者反向抽取都不能达到饱和。