实验光电导衰退法测量单晶硅非平衡少数载流子寿命

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τ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 e p 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。

半导体非平衡少数载流子寿命的测量余意 编写实验教学目的：1、学习常见半导体非平衡载流子产生的方式；2、了解常用的非平衡载流子寿命测量的方法；3、学习用高频光电导衰减法测量单晶硅的非平衡载流子寿命的原理步骤；4、掌握LT-2型单晶少子寿命测试仪的工作原理、构造及其使用方法。

学生实验内容：1、利用LT-2型单晶少子寿命测试仪测量单晶硅少数载流子寿命。

实验教学仪器：LT-2型单晶少子寿命测试仪，数字示波器，电线，单晶硅等。

实验教学课时：4学时（其中讲授及演示1学时，学生实验及指导3学时）实验教学方式：理论讲授、指导学生实验，以指导为主，培养学生动手操作能力、独立思考能力和创新能力。

教学重点：高频光导衰减法测量半导体少数载流子寿命的原理和实验操作步骤。

实验教学内容：一、实验原理原理1、非平衡载流子的概念及其产生非简并半导体在热平衡条件下，温度和掺杂浓度一定时，多子与少子的浓度均具有确定的值。

根据半导体物理学相关知识可知，热平衡下的半导体载流子浓度满足以下关系：然而，所谓的热平衡时相对的，是有条件的。

如果对半导体施加外界作用，破坏了了热平衡条件，这就迫使它处于与热平衡状态 想偏离的状态，成为非平衡态。

此时，半导体内的载流子浓度也发生了变化，各自比原来多出了一部分，这种比平衡时多多出来的这部分成为非平衡载流子，也称为过剩载流子。

常见产生非平衡载流子的方式是对半导体进行光照或者外接电压。

两种方法产生非平衡载流子的方法分别称为光注入和电注入。

对n 型半导体，n 称为多数载流子浓度，Δn 被称为非平衡多数载流子浓度；p 称为少数载流子浓度，Δp 被称为非平衡少数载流子浓度。

对p 型半导体相反。

2、非平衡载流子的寿命当外界产生非平衡载流子的条件撤去之后，由于所产生非平衡载流子经过与半导体内部异性载流子相复合而逐渐的减少，此过程是在一定时间内完成的，换句话说非平衡载流子在外加条件消失后具有一定长度的生存时间，而并不是立即消失。

实验四 高频光电导衰减法测量硅（锗）单晶少子寿命少子寿命是少数载流子的平均生存时间，本实验的目的是使学生更深入地理 解高频光电导衰减法测少子寿命的原理，并掌握测试方法。

一、实验原理１、高频光电导法的测试原理（l）装置高频光电导测试装置如图２.１所示。

它主要由光学和电学两大部分组成。

光学系统主要是脉冲光源系统。

充电到几千伏的电容器，用脉冲触发，．通过氙气灯放电，给出余辉时间小于10ps 的光脉冲（1 次／ｓ）。

经光栏、聚光镜、滤波片发射于样品。

这种光源，光强强频谱丰富，能为硅、锗提供本征吸收边附近的有效激发光（硅是1．1ps，锗是1．7ps）在样品厚度范围内产生分布均匀的非平衡载流子。

但其中短波强吸收光只在前表面处产生非平衡载流子。

而它们会在表面复合掉。

故高、中阻样品要用硅或锗滤光片滤去短波强吸收光，以减小表面效应。

光源光强由氙灯直流高压、光栏和滤光片（厚0．5～2 mm）联合调节，并能在很宽范围内改变，以适应不同阻值的小信号测试要求。

对于τ＜１０μｓ者用余辉时间小于lμｓ的红外脉冲光源（３次／ｓ及３０次／ｓ），其光强由发光管电压调节。

电学系统主要有30ＭＨｚ的高频电源、宽频带前置放大厦，以及显示测试 信号的脉冲示波器等。

测量要求高频源内阻小且恒压，放大系统灵敏空高、线性 好，且示波器要有一标准的时间基线。

（2）取样显示30ＭＨｚ的高频源送出等幅的３０ＭＨｚ正弦波，经耦合电极耦合至单晶样 品，在其中产生同频率的高频电流0sin i I t ω=式中I ０为无光照时样品中高频电流的幅值；ω为频率。

此高频电流由另一同样 的电极耦合到检测电路的取样电阻R ２支路中。

当脉冲光以小注人条件照射样品时，产生了非平衡载流子，使电导率增加， 因高频源为恒压输出，故样品中高频电流的幅值增加ΔＩ， 以致光照时样品中 的高频电流是0()sin i I I t ω=+Δ光照间隙，样品中非平衡载流子因复合按指数规律衰减，高频电流幅值及在 R ２上的取样信号v 的幅值亦按同样规律衰退，即0(exp(/))sin f i I I t t τω=+Δ−0(exp(/))sin f v V V t t τω=+Δ−式中V O 为无光照时R ２上的的等幅高频电压幅值; ΔV 为光照后R ２上电压幅值的增量。

单晶硅非平衡少数载流子寿命测试文集1来源：gzkdkj 发布时间：2008-9-3广州市昆德科技有限公司编译2008年6月1日前言硅载流子复合寿命的测量一直是国内外半导体行业十分重视的课题，我们列出ASTM、SEMI标准中三个涉及寿命测量的方法：1、SEM1 MF28-02（2003年11月出版）Test Methods for Minority-Carrier Lifetime in Bulk Germanium and Silicon by Measurement of Photoconductivity Decay光电导衰退测量锗和硅体少数载流子寿命的测量方法。

2、SEMI MI535-1104（2004年11月出版）Standand Test Method for Carrier Recombination Lifetime in Silicon wafers by Noncontact Measurement of Photoconductivity Decay by Microwave Reflectance微波反射无接光电导衰退测量硅片载流子复合寿命测试方法。

3、ASTM Designation:F391-96Standard Test Methods for Minority Carrier Diffusion Length in Extrinsic Semiconductors by Measurement of Steady-state Surface Photovoltage用稳态表面光电压测量半导体中少数载流子扩散长度的标准方法。

第1个标准（MF28）是美国材料试验协会最早发佈的寿命测试标准，它针对体形规则表面经研磨的单晶计算出最大可测体寿命，这个标准阐述了测量锗、硅单晶体寿命的经典方法，并在近年来又做了一些重要补充和修订，但我国现有版本的译文是1987年根据ASTM 1981年重新审批的28-75文本翻译的，距今已有二十多年了。

少子寿命的测试问题鉴于目前 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。

但对于同是Semilab 的设备，不论是WT-2000 还是WT-1000，测试结果是一致的。

μ-PCD 法相对于其他方法，有如下特点：（1）无接触、无损伤、快速测试（2）能够测试较低寿命（3）能够测试低电阻率的样品（最低可以测0.01ohmcm 的样品）（4）既可以测试硅锭、硅棒，也可以测试硅片，电池（5）样品没有经过钝化处理就可以直接测试（6）既可以测试P 型材料，也可以测试N 型材料（7）对测试样品的厚度没有严格的要求（8）该方法是最受市场接受的少子寿命测试方法3、表面处理和钝化的原因μ-PCD 测试的是少子有效寿命，它受两个因素影响：体寿命和表面寿命。

一、实验目的1. 了解光电导法测试少数载流子寿命的原理。

2. 熟练掌握LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法。

3. 测量非平衡载流子的寿命。

二、实验原理少子寿命是指半导体材料中少数载流子的平均生存时间。

在半导体器件中，少数载流子的寿命对器件的性能具有重要影响。

光电导衰减法是测量少数载流子寿命的一种常用方法。

其原理是在样品上施加一定频率的高频电场，使样品中的载流子产生振荡，从而产生光电导现象。

通过测量光电导衰减曲线，可以计算出少数载流子的寿命。

三、实验仪器与材料1. 仪器：LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪、样品测试夹具、示波器、信号发生器、频率计、稳压电源等。

2. 材料：样品（如硅单晶、锗单晶等）、光注入源、腐蚀液、钝化液等。

四、实验步骤1. 准备样品：将样品进行清洗、切割、抛光等处理，使其表面光滑、平整。

2. 设置实验参数：根据样品类型和测试要求，设置合适的测试频率、测试时间等参数。

3. 连接仪器：将样品夹具、信号发生器、示波器、频率计、稳压电源等仪器连接好，确保连接正确、牢固。

4. 光注入：使用光注入源对样品进行光注入，产生非平衡载流子。

5. 测量光电导衰减曲线：打开测试仪，记录光电导衰减曲线。

6. 数据处理：对光电导衰减曲线进行拟合，计算少数载流子的寿命。

五、实验结果与分析1. 光电导衰减曲线：实验测得的光电导衰减曲线如图1所示。

图1 光电导衰减曲线2. 少子寿命计算：根据光电导衰减曲线，拟合得到少数载流子的寿命为5.6×10^-6 s。

3. 影响因素分析：（1）样品材料：不同材料的样品，其少子寿命不同。

例如，硅单晶的少子寿命一般比锗单晶长。

（2）样品制备：样品的制备过程对少子寿命有较大影响。

如样品表面粗糙度、杂质浓度等都会影响少子寿命。

（3）光注入强度：光注入强度越大，产生的非平衡载流子越多，从而影响少子寿命。

（4）测试参数：测试频率、测试时间等参数对少子寿命的测量结果有一定影响。

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LTX2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X和X，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。

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。

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LTX2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。

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。