半导体中少数载流子寿命测量
(完整)半导体器件中的载流子寿命及其控制原理
半导体器件中的载流子寿命及其控制原理2011—01—21 17：42：18| 分类：微电子器件 | 标签：｜字号大中小订阅（为什么少子寿命对器件的开关特性、导通特性和阻断特性有很大的影响?器件的开关特性、导通特性和阻断特性对于少子寿命长短的要求分别怎样？）Xie Meng-xian。
（电子科大,成都市）半导体中的非平衡载流子寿命是半导体的一个基本特性参数，它的长短将直接影响到依靠少数载流子来工作的半导体器件的性能，这种器件有双极型器件和p-n结光电子器件等.但是，对于在结构上包含有p—n 结的单极型器件(例如MOSFET)也会受到载流子寿命的影响。
非平衡载流子寿命主要是指非平衡少数载流子的寿命。
影响少子寿命的主要因素是半导体能带结构和非平衡载流子的复合机理；对于Si 、Ge、GaP等间接禁带半导体,一般决定寿命的主要因素是半导体中的杂质和缺陷。
对于少子寿命有明显依赖关系的电子器件特性,主要有双极型器件的开关特性、导通特性和阻断特性；对于光电池、光电探测器等之类光电子器件，与少子寿命直接有关的特性主要有光生电流、光生电动势等.(1）少子寿命对半导体器件性能的影响：① 双极型器件的开关特性与少子寿命的关系：双极型器件的开关特性在本质上可归结为p—n结的开关性能.p-n结的开关时间主要是关断时间，而关断时间基本上就是导通时注入到扩散区中的少子电荷消失的过程时间（包括有存储时间和下降时间两个过程）。
少子寿命越短，开关速度就越快。
因此，为了提高器件的开关速度，就应该减短少子寿命.② 器件的阻断特性与少子寿命的关系:半导体器件在截止状态时的特性——阻断特性，实际上也就是p—n结在反向电压下反向漏电流大小的一种反映.因此，这里器件的阻断特性不单指双极型器件，而且也包括场效应器件在内。
p—n结的反向漏电流含有两个分量：一是两边扩散区的少子扩散电流，二是势垒区中复合中心的产生电流；这些电流都与少子寿命有关，载流子寿命越长，反向漏电流就越小，则器件的阻断特性也就越好。
从半导体器件寿命的测量分析发射极饱和电流密度
从半导体器件寿命的测量分析发射极饱和电流密度摘要：发射极饱和电流密度oe J 的测量通常用非接触光电导测量方法。
我们回顾oe J 的物理现象并且将常用的近似方法和使用二维器件模拟的方法作对比。
在不同实验条件下（比如：不同照明条件、表面性质）我们量化在这种近似下的误差。
从发射极到体电极的黑空穴模拟oe J 接近于由后掺杂的光电导测量值决定的模拟oe J 。
只有当样本在接近。
的情况下，前发射极的模拟oe J 才和后发射极的oe J 等价。
在光照条件下（比如:可见光）前发射极的oe J 小于后发射极的oe J 。
来自后发射极的oe J 和来自发射极黑空穴的oe J 在大范围基区参杂浓度变化时几乎为常数。
来自光电导测量值oe J 的近似使得oe J 和多余少数载流子无关。
寿命测量值表明，即使在高质量硅中，oe J 应该当分析方法作为测量多余少数载流子浓度（包括肖特基-李德-霍尔复合）时被得出。
关键字：硅、光电测量、少子寿命、发射极复合电流、太阳能电池1.介绍：在太阳能电池中，扩散的区域，比如发射区和表面区是无所不在的。
对于高效率太阳能电池，两个分别在手指之间和在接触之下的发射区是有选择性的扩散。
首先，低掺杂的发射极用于促进开路电压和短路电流。
第二，重掺杂区用于降低接触电阻。
在标准的工业太阳能电池中，后部镀金的淬火用于扩散铝到硅中形成后表面区域的承载。
在后结点和后接触太阳能电池中，相反地，前表面区域是在前表面重掺杂引起的。
所有这些区域有一个共同点就是它们是主要的复合源，限制开路电压因而获得效率。
由于高表面掺杂浓度使得重掺杂发射极和前表面区域提供了一个相对较好的表面钝化，这样可以抑制一种电荷载流子并因此降低表面复合。
相反的是，在前手指之间的低掺杂发射极中，这种作用被削减使得被一层薄电介质层覆盖的表面绝缘很重要。
描述扩散区的复合是一件很复杂的事，因为分清它的两个主要部分通常是不可能的：体复合和在重掺杂表面的复合。
少子寿命计算公式
少子寿命计算公式少子寿命是半导体物理中的一个重要概念，它对于理解和优化半导体器件的性能具有关键作用。
在这，咱就来好好聊聊少子寿命的计算公式。
咱先说说啥是少子寿命。
在半导体中，多数载流子叫多子，少数载流子就叫少子。
少子寿命呢，简单说就是少子从产生到消失所经历的平均时间。
这时间长短可太重要啦，直接影响着半导体器件的工作效率和稳定性。
那少子寿命咋算呢？常见的计算公式有好几种。
比如说，通过瞬态光电导衰减法，公式可以写成：τ = 1 / (Δn / Δt) ，这里的τ就是少子寿命，Δn 是少子浓度的变化量，Δt 是时间的变化量。
还有一种叫表面复合速度法，这时候公式就变成了：τ = L² / D ，其中 L 是样品的厚度，D 是少子的扩散系数。
给您举个例子吧。
有一回，我在实验室里带着几个学生做实验，研究一个硅片的少子寿命。
我们按照实验步骤，先给硅片加上特定的光照，产生了少子。
然后用精密的仪器测量少子浓度随时间的变化。
那真是个紧张又兴奋的过程，大家眼睛都紧紧盯着仪器屏幕上的数据跳动。
其中一个学生，叫小李，特别认真，手里拿着笔不停地记录。
结果算出来的少子寿命和预期的不太一样。
我们就一起从头开始检查实验步骤，发现是测量少子浓度的时候，有个仪器的参数设置错了。
重新调整后再做，终于得到了准确的数据。
那时候，大家脸上都露出了开心的笑容。
通过这个例子您能看出来，计算少子寿命可不是个简单的事儿，实验过程中的每一个环节都得特别仔细，稍有差错，结果就可能差之千里。
再说说在实际应用中，少子寿命的计算对半导体器件的设计和制造那可是意义重大。
比如在太阳能电池里，要是能准确算出少子寿命，就能优化电池结构，提高光电转换效率，让太阳能电池更给力。
总之，少子寿命的计算公式虽然看起来有点复杂，但只要咱认真学习，多做实验，多积累经验，就能把它掌握好，为半导体领域的发展贡献一份力量。
希望通过我上面的这些讲解，能让您对少子寿命的计算公式有个更清楚的认识。
少子寿命概念
少子寿命是半导体材料和器件的重要参数。
它直接反映了材料的质量和器件特性。
能够准确的得到这个参数,对于半导体器件制造具有重要意义。
少子，即少数载流子，是半导体物理的概念。
它相对于多子而言。
半导体材料中有电子和空穴两种载流子。
如果在半导体材料中某种载流子占少数，导电中起到次要作用，则称它为少子。
如，在 N型半导体中,空穴是少数载流子，电子是多数载流子；在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
多子和少子的形成:五价元素的原子有五个价电子，当它顶替晶格中的四价硅原子时，每个五价元素原子中的四个价电子与周围四个硅原子以共价键形式相结合，而余下的一个就不受共价键束缚，它在室温时所获得的热能足以便它挣脱原子核的吸引而变成自由电子。
出于该电子不是共价键中的价电子，因而不会同时产生空穴。
而对于每个五价元素原子，尽管它释放出一个自由电子后变成带一个电子电荷量的正离子，但它束缚在晶格中，不能象载流子那样起导电作用。
这样，与本征激发浓度相比，N型半导体中自由电子浓度大大增加了，而空穴因与自由电子相遇而复合的机会增大，其浓度反而更小了。
少子浓度主要由本征激发决定，所以受温度影响较大。
香港永先单晶少子寿命测试仪 >> 单晶少子寿命测试仪编辑本段产品名称LT-2单晶少子寿命测试仪编辑本段产品简介少数载流子寿命(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.我们采用微波反射光电导衰减法研制了一台半导体材料少子寿命测试仪,本文将对测试仪的实验装置、测试原理及程序计算进行了较详细的介绍,并与国外同类产品的测试进行比较,结果表明本测试仪测试结果准确、重复性高,适合少子寿命的实验室研究和工业在线测试.技术参数：测试单晶电阻率范围>2Ω.cm少子寿命测试范围10μS～5000μS配备光源类型波长：1.09μm；余辉<1 μS；闪光频率为：20～30次／秒；闪光频率为：20～30次／秒；高频振荡源用石英谐振器，振荡频率：30MHz前置放大器放大倍数约25，频宽2 Hz-1 MHz仪器测量重复误差<±20％测量方式采用对标准曲线读数方式仪器消耗功率<25W仪器工作条件温度： 10-35℃、湿度 < 80％、使用电源：AC 220V，50Hz可测单晶尺寸断面竖测：φ25mm—150mm； L 2mm—500mm；纵向卧测：φ25mm—150mm； L 50mm—800mm；配用示波器频宽0—20MHz；电压灵敏：10mV／cm；LT-2型单晶少子寿命测试仪是参考美国 A.S.T.M 标准而设计的,用于测量硅单晶的非平衡少数载流子寿命。
P型4H-SiC少数载流子寿命的研究
P型4H-SiC少数载流子寿命的研究高冬美;陆绮荣;韦艳冰;黄彬【摘要】为了更好地了解P型4H-SiC的电学特性,评价其晶体质量,利用激光和微波技术作为非接触、非破坏性测量半导体特性的一种工具,详细描述了该测试方法和实验装置,讨论了高温退火前后晶片中少数载流子寿命的变化,并用LabVIEW对测试数据进行了拟合.结果表明:高温退火能提高载流子寿命,并且实验数据与拟合结果较符合.说明了微波光电导衰减法(μ-PCD)是一种测试少子寿命的快速、有效方法,对研究半导体材料性能具有重要意义；同时,研究高温退火条件下少子寿命的变化,对提高其材料的电性能也具有重要意义.%To better understand the P-type 4H-SiC electrical properties and evaluate the crystal qualities, laser and microwave techniques were studied as tools for non-conductive and nondestructive characterization for semiconductors, and the testing methods and experimental equipment were also described in detail. The lifetime changes of minority carrier before and after annealing were discussed, and the testing data were fitted by Lab VIEW. The results show that high-temperature annealing can increase the minority carrier lifetime of the crystal, and the experimental data and fitting results are in good agreement. Therefore, microwave photoconductive decay method is convenient and efficient for measuring minority carrier lifetime, which is significant to examine the properties of SiC materials. The study of carrier lifetime change under high -temperature annealing is also significant to improve the electrical properties of silicon carbide materials.【期刊名称】《中国测试》【年(卷),期】2012(038)001【总页数】3页(P19-21)【关键词】半导体技术;少子寿命;微波光电导衰减;高温退火;LabVIEW 系统【作者】高冬美;陆绮荣;韦艳冰;黄彬【作者单位】桂林理工大学机械与控制工程学院,广西桂林541004;桂林理工大学现代教育技术中心,广西桂林541004;桂林理工大学机械与控制工程学院,广西桂林541004;桂林理工大学机械与控制工程学院,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】O472;TM930.1140 引言由于其突出的化学和热稳定性，优良的热电导率和高击穿场，碳化硅突破了以硅为基础的技术理论局限性，已成为高功率微波器件和高压开关设备的重要物质基础。
太阳能电池用多晶硅材料少数载流子寿命的测试
太阳能电池用多晶硅材料少数载流子寿命的测试邵铮铮;李修建;戴荣铭【摘要】The minority carrier lifetime in p-typed polycrystalline silicon used for solar cells was tested by the high frequency photoconductivity decay method,and the influence of photo injection intensity on the testing re-sult was analyzed in detail. The results show that the decay curve is not exponential damping in a wide area near the peak point,until the signal fade down to lower than half value. In addition,the measured value of the minority carrier lifetime is reduced when reinforcing the photo injection intensity. Based on the surface recom-bination effect and grain boundary recombination effect of the non-equilibrium carriers, we interpreted this physical phenomenon appropriately.%采用高频光电导衰退法测试了太阳能电池用p型多晶硅片的少数载流子寿命，细致分析了光注入强度对测试结果的影响。
结果显示光电导衰减曲线在靠近尖峰处较宽的时间区域内并按非指数规律快速衰减，当信号衰减到一定程度后逐渐接近指数规律，且随着光注入强度增大，少子寿命的测量结果显著减小。
微波光电导衰减法测量N型4H-SiC少数载流子寿命
微波光电导衰减法测量N型4H-SiC少数载流子寿命高冬美;陆绮荣;韦艳冰;黄彬【摘要】In order to understand the electrical property of N-type 4H-SiC better and evaluate its crystal quality, with laser technique and microwave photoconductivity measurement as a tool of the non-conductive and non-destructive characterization for semiconductors, the measurement principle was described and the experimental equipment was put forward. The dependence of the minority carrier lifetime on the excitation intensity was discussed. The results show that the changing of the laser pulse energy (I. E. The photon injection level) little affect the carrier lifetime of the specimen, its peak voltage is proportional to the excitation intensity. The method of carrier lifetime measurement is convenient and efficient and has a great significance for examination of the property of SiC material.%为了更好地了解N型4H-SiC的电学特性,评价其晶体质量,采用激光技术和微波光电导作为非接触、非破坏性测量半导体特性的一种工具,描述了其测试原理和实验装置,并讨论了不同的激发强度下,其少数载流子寿命的变化.结果表明,改变入射激光能量(即光子注入水平),样品电压峰值与激发强度成正比,对其载流子寿命几乎没有影响.该方法能方便快捷地测量载流子的寿命,对SiC材料性能的研究具有重要意义.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2011(035)005【总页数】4页(P610-612,631)【关键词】激光技术;少数载流子寿命;微波光电导;4H-SiC;注入水平【作者】高冬美;陆绮荣;韦艳冰;黄彬【作者单位】桂林理工大学机械与控制工程学院,桂林541004;桂林理工大学现代教育中心,桂林541004;桂林理工大学机械与控制工程学院,桂林541004;桂林理工大学机械与控制工程学院,桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TN304.2引言SiC是Ⅳ-Ⅳ族二元化合物，每个原子被4个异种原子所包围，通过定向的强四面体SP3键结合在一起，具有强的共价键结构，使它具有高的硬度、高熔解温度、高的化学稳定性和抗辐射能力。
多晶硅及硅片少子寿命的检测与分析
流 电场 ， 以电容耦 合代替 欧 姆接触 ， 以检测试 样上 电 流 的变 化代 替检 测样 品上 电压 的变化 。 不 光照时 ， 由 高频 源 产生 等 幅高 频 正 弦 电流 ， 通过试 样 与取 样 电
经宽 频放 大器 放 大后 输 入 到脉 冲 示 波器 ， 在 示 波器 上 可显 示 下 图的指 数 衰 减 曲线 ， 由 曲线就 可 获得 寿 命 值 。高 频光 电导 的基本 原理 如下 图所 示 ：
校准， 将这 些 干扰 因素降 低到最 低 的限度 。
２ 微 波光 电导 检测 方法 与原理 ［ ２
阻 Ｒ， 在 取样 电阻 两端 产 生 高 频 电压 。试 样受 光 照 时， 产 生附加 光 电导 ， 流 过试样 到 取样 电阻Ｒ 的高频 电流 幅值 也 相应 增 加 。光 照 停止 后 ， 在 小 注入 条件
下， 附 加光 电导按 指数规 律衰 减 ， 高频 电流 幅值增加
部分指 数 规律 衰 减 ， 取 样 电阻 上形 成 的 高频调 幅信
影响、 注入 量 的影 响 、 光伏 效应 的影 响 、 光 源波长 、 电
△Ｖ ＝ △Ｖ ０ ｅ ｉ
场、 温度 、 杂质 复合 中心 的影 响、 滤 光的影 响等 。 受这 些 干扰 因素 的影 响 ， 在 检 测 的过 程 中需 要 作相 应 的
此 调 幅高 频信 号 经 检 波器 解 调 和 高频 滤 波 ， 再
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
(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。
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
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……
(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。
(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。
Ir
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
If 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 / Ir ) 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）
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 / Ir ) 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。
反向抽取
内建电场
扩散流
P
漂移流
N
_
负向偏压
+ (以空穴行为为例)
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 * ex/LD
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。
电阻
v
示波器
G
o
t
实验电路图
实验中使用的脉冲信号
平衡态
空穴 (positive)
P
ห้องสมุดไป่ตู้
内建电场
扩散流 漂移流
电子(negative)
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 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
（x为到PN结边界的距离，LD为扩散长度）
在抽取过程中,反向电流为 J J0 (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 Tr
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。
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
+p
扩散流
漂移流
N_
正向电压
(以空穴行为为例)
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。