1、少子壽命原理及應(yīng)用,黎曉豐,1. 半導(dǎo)體簡介 2. 非平衡載流子及少子壽命 3. 少子壽命影響因素 4. 少子壽命的測試方法簡介 5. WT-2000的運用,1. 半導(dǎo)體 (Semiconductor),硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等 導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間(10-4 1010 cm) 電導(dǎo)率和導(dǎo)電型號對雜質(zhì)和外界因素高度敏感,硅(Silicon),金剛石結(jié)構(gòu)，每個硅原子與四個硅原子相鄰，形成正四面體結(jié)構(gòu),相鄰原子之間共用電子對形成共價鍵,能帶(energy band),導(dǎo)帶、價帶、禁帶寬度 載流子：電子(自由電子、electron)、空穴(hole),電子帶負電 空穴帶正電

2、,摻雜,為得到一定的載流子濃度而摻入電活性的雜質(zhì)。 通常P型摻雜摻B； N型摻雜摻P。,N型,P型,P型摻雜(III族)：B、Al、Ga、In N型摻雜(V族)：P、As、Sb 均為淺能級雜質(zhì) 常溫下，非重摻，P型硅的空穴濃度等于P型摻雜劑濃度；N型硅的電子濃度等于N型摻雜劑濃度。,P型硅的載流子絕大部分為空穴?？昭槎鄶?shù)載流子(majority carrier)，簡稱多子；電子為少數(shù)載流子(minority carrier)，簡稱少子。 N型硅的載流子絕大部分為電子。電子為多子，空穴為少子。,3. 非平衡載流子,平衡狀態(tài)下，電子空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合率相等。電子和空穴濃度n、p不變。,EC,EV

3、,產(chǎn)生,復(fù)合,受外界因素(光照、載流子注入等)影響比平衡狀態(tài)下多出來的載流子。,非平衡載流子濃度為n、p。 n = p,在光激發(fā)下，一開始載流子產(chǎn)生率G大于復(fù)合率R，導(dǎo)致載流子增加。到穩(wěn)態(tài)時G = R，此時載流子濃度趨于穩(wěn)定。 電子和空穴濃度： n = n0 + n；p = p0 + p n0 、p0分別為平衡時電子和空穴的濃度。,當(dāng)光激發(fā)撤銷時，一開始產(chǎn)生率小于復(fù)合速率，導(dǎo)致n、p不斷衰減，最后當(dāng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)時n = p = 0；G = R。 在這過程中，凈的復(fù)合率U = R G 此過程即稱為非平衡載流子的復(fù)合(recombination)過程。,若定義非平衡載流子單位時間的復(fù)合概率為1/

4、，則,非平衡載流子呈指數(shù)衰減 為載流子的復(fù)合壽命,的物理意義：非平衡載流子的平均生存時間。 越大，載流子復(fù)合能力愈弱。衰減得越慢； 越小，衰減得越快。 因為非平衡載流子對少子濃度影響極大，所以稱為少子壽命 少子壽命一般指少子復(fù)合壽命。 影響少子壽命因素很多，影響機制極復(fù)雜。,少子壽命的作用,太陽能電池光電流是光激發(fā)產(chǎn)生非平衡載流子，并在pn結(jié)作用下流動產(chǎn)生的。,載流子的復(fù)合會使光電流減少。少子壽命越小光電流越小。 同時少子壽命減小，增加漏電流從如使開路電壓減小。 總之，少子壽命越小，電池效率越低。,4. 少子壽命影響因素,影響少子壽命的因素很多： 雜質(zhì)、電阻率、溫度、表面狀態(tài)、硅片厚度等。 實

5、際測量得到的是體復(fù)合和表面復(fù)合共同作用的少子壽命 有用的是體復(fù)合得到的體少子壽命。,體復(fù)合機制,1. 本征復(fù)合(直接復(fù)合) 輻射復(fù)合：電子和空穴直接復(fù)合，輻射出光子。 Auger復(fù)合：電子和空穴直接復(fù)合，激發(fā)另一電子和空穴。,在硅中低注入水平下并非主要復(fù)合過程,2. 間接復(fù)合： 通過復(fù)合中心復(fù)合。 復(fù)合中心為深能級雜質(zhì)。 為硅中的主要復(fù)合形式。,SRH(Shockley-Read-Hall)模型,1. 電子的發(fā)射 2. 電子的俘獲 3. 空穴的俘獲 4. 空穴的發(fā)射,SRH少子壽命公式,n0和p0分別是電子和空穴的俘獲時間常數(shù)。n1和p1分別為費米能級處于復(fù)合中心能級Et時電子和空穴的濃度。,

6、SRH復(fù)合的討論,1. 復(fù)合中心能級Et越深少子壽命越小，所以深能級雜質(zhì)對少子壽命影響極大，即使少量深能級雜質(zhì)也能大大降低少子壽命。過渡金屬雜質(zhì)往往是深能級雜質(zhì)，如Fe、Cr、Mo等雜質(zhì)。,2. 電阻率的影響 隨著電阻率的增大，少子壽命也不斷增大。 3. 溫度變化強烈影響少子壽命。但是影響規(guī)律十分復(fù)雜。一般為隨溫度上升少子壽命先降后升。,表面復(fù)合,前面幾種只是涉及體復(fù)合，但是由于硅表面存在懸掛鍵形成表面復(fù)合中心。在表面也產(chǎn)生復(fù)合，從而使測試體少子壽命時產(chǎn)生偏差。 有用的是體少子壽命。,表面復(fù)合率Us等于表面復(fù)合速率S乘以非平衡載流子濃度。 US=S n S的單位為速度單位。S的大小取決于表面狀

7、態(tài)，對于裸片S約為50000 cm/s。對于各種鈍化方法S可小于10cm/s。,有效壽命,在多種獨立的復(fù)合機制下的實際的壽命為有效少子壽命。即為測試得到的少子壽命值。,有效少子壽命總是低于任何復(fù)合機制的壽命。,影響有效少子壽命的因素,低注入水平下，中等摻雜，輻射壽命和Auger壽命遠高于間接復(fù)合壽命。因此只有間接復(fù)合影響體少子壽命。 考慮到體復(fù)合和表面復(fù)合的共同作用，有如下關(guān)系,有效少子壽命與體少子壽命由于有表面復(fù)合產(chǎn)生偏差。 W為硅片厚度Dn為電子的擴散系數(shù)。因此硅片厚度和表面復(fù)合速率是影響有效壽命的重要因素。,體少子壽命越大，表面復(fù)合速率越大，偏差越大。 厚度越薄，偏差越大,當(dāng)體少子壽命小

8、于1s，無論S多大，偏差小于10%。 當(dāng)表面狀態(tài)一定時，體少子壽命降低，有效少子壽命也降低。,4. 少子壽命測試方法,1. -PCD (Microwave Photoconductivity Decay) 微波光電導(dǎo)衰減 WT-2000 2. QSSPC 3. SPV,紅外脈沖激光源(905nm) 微波源和信號接收(10 0.5 GHz),原理,脈沖激光激發(fā)非平衡載流子 微波探測器探測發(fā)射和反射的微波譜,低注入水平下，一定的頻率下，發(fā)射和反射微波型號差正比于非平衡載流子濃度n。,選取不同的頻率，信號差有時正有時負。 無論如何都和非平衡載流子濃度n成正比,信號呈指數(shù)衰減，即呈現(xiàn)出非平衡載流子衰減的規(guī)律。 通過擬合指數(shù)衰減信號得到少子壽命的值。 對樣品表面連續(xù)點掃描可以得