第一章半导体常规电学参数测试讲述

1、第一章第一章 硅单晶常规电学参数的测试硅单晶常规电学参数的测试1.1 半导体硅单晶导电类型的测量半导体硅单晶导电类型的测量 1.2 半导体硅单晶电阻率的测量半导体硅单晶电阻率的测量 1.3 非平衡少数载流子寿命的测量非平衡少数载流子寿命的测量1.1 半导体硅单晶导电型号的测量半导体硅单晶导电型号的测量v1、N型半导体型半导体（施主掺杂施主掺杂）v2、P型半导体型半导体(受主掺杂受主掺杂）v多数载流子为空穴，少数载流子为自由电子。多数载流子为空穴，少数载流子为自由电子。v多数载流子为电子，少数载流子为空穴。多数载流子为电子，少数载流子为空穴。v一、根据硅单晶参杂的元素不同分类：一、根据硅单晶参杂

2、的元素不同分类： 二、导电类型的测量方法二、导电类型的测量方法温差电动势法温差电动势法整流效应法整流效应法冷热探笔法冷热探笔法冷探针法冷探针法三探针法三探针法四探针法四探针法单探针点接触整流法单探针点接触整流法三、冷热探笔法三、冷热探笔法利用冷热探笔与半导体利用冷热探笔与半导体样品接触，在与冷热探样品接触，在与冷热探笔接触点之间产生电势笔接触点之间产生电势差，如两根探笔之间接差，如两根探笔之间接上检流计构成回路，产上检流计构成回路，产生一温差电流，根据温生一温差电流，根据温差电流的方向判断样品差电流的方向判断样品的导电类型。的导电类型。 冷热探笔法测导电类型冷热探笔法测导电类型1、原理：如图所

3、示、原理：如图所示2、温差电动势、及电流的产生：、温差电动势、及电流的产生：v（a）N型半导体型半导体Ev（b）P型半导体型半导体E3、导电类型的判定、导电类型的判定v（1）检流计指针偏转（）检流计指针偏转（STY-1）指针向正方偏转被指针向正方偏转被测样品为测样品为P型型;指针向负方向偏转指针向负方向偏转被测样品为被测样品为N型。型。判断方式：判断方式：冷探笔冷探笔热探笔热探笔电源开关电源开关N型旋钮型旋钮P型旋钮型旋钮加热指示灯加热指示灯保温指示灯保温指示灯（2 2）液晶显示屏显示）液晶显示屏显示N N或或P P（STY-2)STY-2)STY-2仪器的优点仪器的优点v1、采用第四代集成电

4、路设计、生产。、采用第四代集成电路设计、生产。v2、自动恒温的热探笔。、自动恒温的热探笔。v3、由液晶器件直接发显示、由液晶器件直接发显示N、P型。型。v4、操作方便、测试直观、快速、准确。、操作方便、测试直观、快速、准确。v1）插好背板上的电源线，并与）插好背板上的电源线，并与220V插座相接；插座相接；将热笔、冷笔与面板上将热笔、冷笔与面板上4芯、芯、3芯插座相接。芯插座相接。v2）打开仪器面板左下角的）打开仪器面板左下角的电源开关电源开关，电源指示灯，电源指示灯及热笔加热灯亮。及热笔加热灯亮。10分钟左右热笔达到工作温度时，分钟左右热笔达到工作温度时，保温（绿）灯亮，即可进行型号测量。热

5、探笔随后保温（绿）灯亮，即可进行型号测量。热探笔随后自动进入保温自动进入保温加热加热保温保温循环，温度保持在循环，温度保持在40-60（国标及国际标准规定的温度）。（国标及国际标准规定的温度）。v3）先将热笔在被测单晶面上放稳，后将冷笔点压）先将热笔在被测单晶面上放稳，后将冷笔点压在单晶上，液晶显示器即显示型号（在单晶上，液晶显示器即显示型号（N或或P）。）。使用方法使用方法v4）测量电阻率较高的单晶时，请将）测量电阻率较高的单晶时，请将N型调零电位器型调零电位器P型调零电位器调近临界点（逆时针旋转），以便型调零电位器调近临界点（逆时针旋转），以便提高仪器的测量灵敏度。提高仪器的测量灵敏度。v

6、5）在）在P型、型、N型显示不稳定时，以多次能重复的测型显示不稳定时，以多次能重复的测量结果为准。量结果为准。v6）测量时握笔的手不要与被测单晶接触，以免人）测量时握笔的手不要与被测单晶接触，以免人体感应影响测量结果。体感应影响测量结果。v如图所示，在样品上压上三个探针，针距在如图所示，在样品上压上三个探针，针距在0.15-1.5mm范围。在探针范围。在探针1和探针和探针2之间接上交流电源，在探针之间接上交流电源，在探针2和探针和探针3之间接上检流计。根据检之间接上检流计。根据检流计的指针偏转的方向来判断晶体的导电类型。流计的指针偏转的方向来判断晶体的导电类型。四、三探针法四、三探针法v测试原

7、理测试原理：以以N型半导体为例，如图所示：型半导体为例，如图所示：v得到外加电压和得到外加电压和u2u2 的波形图的波形图v如为如为P型材料，则同理分析，电压型材料，则同理分析，电压u2u2 有负的直流分量，有负的直流分量，在探针在探针2,3的电路中，电流由的电路中，电流由2 3 v得到直流分量得到直流分量u2u2 0。把作为探针。把作为探针2,3电路的电动势，电流电路的电动势，电流有有32 。如下图所示。如下图所示vSTY-3-热探笔及整流导电类型测试方法热探笔及整流导电类型测试方法设计的导电类型鉴别仪设计的导电类型鉴别仪v五、冷热探笔法和三探针法的测准因素分析五、冷热探笔法和三探针法的测准

8、因素分析v1、冷热探笔法的测量范围：、冷热探笔法的测量范围：1000.cm以下，三探针法为以下，三探针法为1-1000.cm。v2、表面要求：无反型层、无氧化层，清洁无污；对表面进、表面要求：无反型层、无氧化层，清洁无污；对表面进行喷砂或研磨处理；（行喷砂或研磨处理；（不要用未处理的表面或腐蚀、抛光的不要用未处理的表面或腐蚀、抛光的表面表面)v3、用冷热探笔测量时，保证热探笔不能太高（、用冷热探笔测量时，保证热探笔不能太高（40-60），），并不断交换冷热探笔的位置并不断交换冷热探笔的位置（欧姆接触，探笔触头（欧姆接触，探笔触头60， In或或Pb） 。v4、三探针法：探针接触压力小，探针接触

9、半径不大于、三探针法：探针接触压力小，探针接触半径不大于50m，。v5、避免电磁场的干扰。、避免电磁场的干扰。1.2 半导体硅单晶电阻率的测量半导体硅单晶电阻率的测量 v一、半导体材料的电阻率与载流子浓度一、半导体材料的电阻率与载流子浓度v电阻率是电阻率是荷电载体流经材料时受到阻碍的一种量度荷电载体流经材料时受到阻碍的一种量度。对。对于半导体材料，电阻率反映了补偿后的杂质浓度。一般于半导体材料，电阻率反映了补偿后的杂质浓度。一般而言，电阻率是杂质浓度差的函数。而言，电阻率是杂质浓度差的函数。v以以P型半导体为例：型半导体为例：1()ADpNNq式中式中-NA 为受主杂质浓度，为受主杂质浓度，N

10、D 为施主杂质浓度为施主杂质浓度 p为空穴迁移率，为空穴迁移率，q为电子电荷为电子电荷 v二、电阻率的测试方法二、电阻率的测试方法v按照测量仪器分类：按照测量仪器分类：v1、接触法：、接触法：v v v v v2、无接触法：、无接触法：v适用于测量硅单晶切、磨等硅片的电阻率适用于测量硅单晶切、磨等硅片的电阻率两探针法两探针法四探针法四探针法扩展电阻法扩展电阻法范德堡法范德堡法v测量硅抛光、外延片的电阻率测量硅抛光、外延片的电阻率C-V法法涡旋电流法涡旋电流法v三、两种典型的测量方法三、两种典型的测量方法v1、两探针法、两探针法v（1）一般金属测试电阻率：）一般金属测试电阻率：v如果用以上装置来

11、测量半导体的电阻率，由于导线与样品之如果用以上装置来测量半导体的电阻率，由于导线与样品之间存在很大的接触电阻，其有效电路图如图所示：间存在很大的接触电阻，其有效电路图如图所示：v（2）两探针法电阻率的基本原理）两探针法电阻率的基本原理v如图所示，在样品两端通以电流，并在样品的电流回路上串如图所示，在样品两端通以电流，并在样品的电流回路上串联一个标准电阻联一个标准电阻Rs，利用，利用高阻抗输入的电压表或电位差计高阻抗输入的电压表或电位差计测测量电阻上的电压降量电阻上的电压降Vs，计算出流经半导体样品中的电流：，计算出流经半导体样品中的电流：两探针法测试半导体材料电阻率示意图两探针法测试半导体材料

12、电阻率示意图v然后依靠两个靠弹簧压紧的探针在半导体样品的长然后依靠两个靠弹簧压紧的探针在半导体样品的长度测量度测量A、B两点的电压降两点的电压降VT,并测量出该两点之间并测量出该两点之间的距离的距离L。因此，可得样品的电阻率：。因此，可得样品的电阻率：v电位差计测量两探针之间的电压降电位差计测量两探针之间的电压降VT ，其有效电路，其有效电路如图所示：如图所示：两探针之间的有效电路两探针之间的有效电路v由上图可得由上图可得v且有且有v因此电位差计测得的电压因此电位差计测得的电压UT为：为：v用电位差计测量电压降：用电位差计测量电压降：当电位差计处于平衡时，流经当电位差计处于平衡时，流经电位差计

13、被测电路线电流为电位差计被测电路线电流为0，即，即v所以有所以有12212()()TbrrbUuuuuIrr（3）两探针法测试仪器（）两探针法测试仪器（kDY-2）v1）结构：如图所示）结构：如图所示电流表电流表电压表电压表v2）主要参数）主要参数v可测硅晶体电阻率：可测硅晶体电阻率：0.005-50000cm可测硅棒尺寸：最大长度可测硅棒尺寸：最大长度300mm；直径；直径20mm探针针距：探针针距：1.59mm；探针直径；探针直径0.8mmv探针材料：硬质合金（探针材料：硬质合金（WC）电阻测量误差：电阻测量误差：0.3%3）特点）特点va、测试范围广。、测试范围广。vb、测试精度高。、测

14、试精度高。vc、即可测单晶硅，也可测多晶硅（硅芯测试）。、即可测单晶硅，也可测多晶硅（硅芯测试）。vd、要求样品形状规则。、要求样品形状规则。ve、需焊接电极。、需焊接电极。v（4）两探针法测准条件：）两探针法测准条件：va、探针头的接触半径保持在、探针头的接触半径保持在25m；vb、样品表面经喷砂或研磨处理；、样品表面经喷砂或研磨处理；vc、通电流的两端面接触为欧姆接触，用镀镍或镀铜或超声、通电流的两端面接触为欧姆接触，用镀镍或镀铜或超声波焊接；波焊接；vd、样品电流不易过大，、样品电流不易过大，E1V/cm,测量低阻单晶时注意电流测量低阻单晶时注意电流不能过大，避免热效应。（不能过大，避免

15、热效应。（样品的电阻率会随着温度的升高样品的电阻率会随着温度的升高而升高而升高）v2、四探针法、四探针法v（1）四探针法测电阻率的示意图）四探针法测电阻率的示意图和计算公式和计算公式v如图所示，将距离为如图所示，将距离为1mm的四根的四根探针压在样品上，并对外面两根探探针压在样品上，并对外面两根探针通以恒流电流，在中间两根探针针通以恒流电流，在中间两根探针连接电位差计测量其电压降，然后连接电位差计测量其电压降，然后根据以下公式进行计算：根据以下公式进行计算：vC-四探针的探针系数四探针的探针系数v（2）四探针法测电阻率的基本原理）四探针法测电阻率的基本原理v假设半导体样品为半无穷大，且在此平面

16、上有一点电流源，假设半导体样品为半无穷大，且在此平面上有一点电流源，如图所示，则在以点电流源为球心的任一半径（如图所示，则在以点电流源为球心的任一半径（r）的半球）的半球面上，任一点的电流密度相等为：面上，任一点的电流密度相等为：v式中，式中，I为点电流源的强度，为点电流源的强度， 是半径为是半径为r的半球等位面的的半球等位面的面积。面积。v由于由于P点的电流密度与该点的电场强度点的电流密度与该点的电场强度E存在以下关系：存在以下关系：v因此，由以上两式得因此，由以上两式得v设无穷远处电位为设无穷远处电位为0（电流流入半导体电流流入半导体），）， 则则P点处的电位点处的电位可以表示为可以表示为

17、v如图所示，四个探针位于样品中央，如果电流从探如图所示，四个探针位于样品中央，如果电流从探针针1流入，探针流入，探针4流出，则可以把探针流出，则可以把探针1和和4认为是两认为是两个点电流源。个点电流源。v则，根据叠加原理及以上半球面的电位公式得到探针则，根据叠加原理及以上半球面的电位公式得到探针2,3的的电位分别为电位分别为v因此，探针因此，探针2,3之间的电位差为之间的电位差为v由上式可得样品的电阻率为由上式可得样品的电阻率为若四个探针在同一直线上，间距分别为若四个探针在同一直线上，间距分别为s1,s2,s3如图所如图所示，则有示，则有若若s1=s2=s3=s,则有则有v由以上两公式以及公式

18、由以上两公式以及公式 可得探针系数为可得探针系数为v实际测量中为了直接读数，一般设置电流的数值等于探针实际测量中为了直接读数，一般设置电流的数值等于探针系数的数值，如探针间距为系数的数值，如探针间距为S=1mm,则则C=2S=0.628cm,若若调节恒流调节恒流I=0.628mA，则由，则由，2,3探针直接读出的数值即为探针直接读出的数值即为样品的电阻率。样品的电阻率。v（3）四探针测试仪器（）四探针测试仪器（KDY-1A)电流、电压数电流、电压数字表字表电流量电流量程程:1mA/10mA电阻电阻/电阻率电阻率测试测试/校准校准电流调节旋钮（微调）电流调节旋钮（微调）电流调节旋钮（粗调）电流调

19、节旋钮（粗调）v使用方法：使用方法：v1）打开测试仪电源开关，指示灯。）打开测试仪电源开关，指示灯。v2）将样品放在放在测试平台上，调节上下位置，使与探针）将样品放在放在测试平台上，调节上下位置，使与探针样品接触松紧适度。样品接触松紧适度。v3）先将电流换档置）先将电流换档置“1mA”档档,将将/R置于置于“”档，将校准档，将校准/测量置于测量置于“校准校准”档。调节电流（档。调节电流（S1mm）：）： 电流换档电流换档置置“1mA”档时，调节数值为档时，调节数值为62.8；电流换档置；电流换档置“10mA”档档时，调节数值为时，调节数值为6. 28.v4）将校准）将校准/测量置于测量置于“测

20、量测量”档，进行读数。档，进行读数。v5在距表面边缘在距表面边缘4倍针距内分别测量倍针距内分别测量5组数据，取平均值。组数据，取平均值。v 主要参数主要参数v（1）可测量）可测量 电阻率：电阻率：0.01199.9.cm。 可测方块电阻：可测方块电阻：0.11999/口口 当被测材料电阻率当被测材料电阻率200.cm数字表显示数字表显示0.00。v （2）恒流源：）恒流源： 输出电流：输出电流：DC 0.1mA10mA分两档分两档1mA量程：量程：0.11mA 连续可调连续可调10mA量程：量程：1mA 10mA连续可调连续可调 v(4)四探针法测量电阻的侧准条件和测试工艺要求：四探针法测量电

21、阻的侧准条件和测试工艺要求：v1）样品表面）样品表面va)为了增大表面复合，降低少子寿命，从而减小少子注入的为了增大表面复合，降低少子寿命，从而减小少子注入的影响，试样测量表面一般要求经过粗砂研磨或喷砂处理。影响，试样测量表面一般要求经过粗砂研磨或喷砂处理。vb)要求试样表面具有较高的平整度，且样品厚度以及任一探要求试样表面具有较高的平整度，且样品厚度以及任一探针距样品边缘的距离必须大于针距样品边缘的距离必须大于4倍针距，以满足近似无穷大倍针距，以满足近似无穷大的测试条件。的测试条件。vc)各测试点厚度与中心厚度的偏差不应大于各测试点厚度与中心厚度的偏差不应大于1%。v2）测试探针）测试探针v

22、a）选择合适的材料作探针，目前一般使用钨丝、碳化钨等）选择合适的材料作探针，目前一般使用钨丝、碳化钨等材料。材料。vb）要求探针的间距不宜过大，要保证测试区内电阻率均匀，）要求探针的间距不宜过大，要保证测试区内电阻率均匀，因此一般为因此一般为1-2mm.探针要在同一直线上。探针要在同一直线上。vc）对探针与样品之间接触要求有一定的接触压力和接触半）对探针与样品之间接触要求有一定的接触压力和接触半径，以减小少子注入的影响，一般选取压力径，以减小少子注入的影响，一般选取压力1.75-4N，接触，接触半径小于半径小于50s,且每次测量压力保持一致，确保测量的重复且每次测量压力保持一致，确保测量的重复

23、性和准确性。性和准确性。vd)探针的游移度保证小于探针的游移度保证小于2%,确保测量的重复性和准确性。确保测量的重复性和准确性。v3）测试电流）测试电流v在测量过程中，通过样品的电流从两方面影响电阻率：在测量过程中，通过样品的电流从两方面影响电阻率：va）少子注入并被电场扫到）少子注入并被电场扫到2,3探针附近，使电阻率减小；探针附近，使电阻率减小；vb）电流过大，使样品温度提高，样品的晶格散射作用加强，）电流过大，使样品温度提高，样品的晶格散射作用加强，导致电阻率会提高。导致电阻率会提高。v因此，要求电流尽量小，以保证在弱电场下进行测试。因此，要求电流尽量小，以保证在弱电场下进行测试。va）

24、对硅单晶材料，一般选取电场）对硅单晶材料，一般选取电场E小于小于1V/cm.vb）若针距为）若针距为1mm，则，则2,3探针的电位差不超过探针的电位差不超过100mv.v4）测量区域、边缘修正和厚度修正）测量区域、边缘修正和厚度修正v对于探针而言，如果待测样品完全满足近似半无穷大，测对于探针而言，如果待测样品完全满足近似半无穷大，测量值可近似真实值。一般当直径方向大于量值可近似真实值。一般当直径方向大于40倍针距，边缘倍针距，边缘不需修正（不需修正（F1=1);当样品厚度大于当样品厚度大于5倍针距时，厚度因子不倍针距时，厚度因子不需修正（需修正（F2=1)v若不满足以上条件时，则根据四探针仪器

25、的使用手册进行若不满足以上条件时，则根据四探针仪器的使用手册进行修正。其电阻率的公式为修正。其电阻率的公式为2123FF.IVCv5)测试环境和温度修正测试环境和温度修正v一般来说，四探针测试过程要求测试室的环境恒温、恒湿、一般来说，四探针测试过程要求测试室的环境恒温、恒湿、避光、无磁、无震。避光、无磁、无震。v由于半导体材料随温度的变化会发生变化，因此往往需要进由于半导体材料随温度的变化会发生变化，因此往往需要进行温度系数的修正。一般参考温度为行温度系数的修正。一般参考温度为232 ，如实际温，如实际温度与参考温度相差太大，则需根据以下公式修正：度与参考温度相差太大，则需根据以下公式修正：v

26、CT-温度修正系数，与样品的材料、导电类型、掺杂元素温度修正系数，与样品的材料、导电类型、掺杂元素有关系（如书中图有关系（如书中图1-15）（）（P14)方块电阻的测试方块电阻的测试v1. 方块电阻的定义方块电阻的定义v如图如图1所示，方形薄片，截面积为所示，方形薄片，截面积为A，长、宽、厚分别用，长、宽、厚分别用L、w、d表示，材料的电阻率为表示，材料的电阻率为，当电流如图示方向流过时，当电流如图示方向流过时，若若L=w，这个薄层的电阻称为方块电阻，一般用，这个薄层的电阻称为方块电阻，一般用R表示，表示，单位为单位为/。v v对于杂质均匀分布的样品，若该半导体薄层中杂质对于杂质均匀分布的样品

27、，若该半导体薄层中杂质均匀分布，则薄层电阻均匀分布，则薄层电阻R为：为：v wdLALRwLRwLd 式中式中，R= 为方块电阻，为方块电阻，L/w为长宽比，又称方数。为长宽比，又称方数。dv2、测试原理、测试原理v v v v v 图图2 四探针法测量方块电阻四探针法测量方块电阻v如图如图2所示，当四根金属探针排成一条直线，并以一定压力所示，当四根金属探针排成一条直线，并以一定压力压在半导体材料上时，在压在半导体材料上时，在1、4两根探针间通过电流两根探针间通过电流I(mA)，则则2、3探针间的电压为探针间的电压为V23(mV)。v3、电流的设置、电流的设置2123FF.RIdVCdCI21

28、FF .v可设置电流为可设置电流为由公式由公式vF1-直径修正系数直径修正系数vF2-厚度修正系数厚度修正系数vd-样品厚度样品厚度 C-探针系数探针系数v四探针方阻电阻率测试仪（四探针方阻电阻率测试仪（KDY-1）v主要参数主要参数v（1）测量范围：可测电阻率：0.000119000cm可测方块电阻：0.0011900 （2）恒流源：输出电流：DC 0.001100mA 五档连续可调量程：0.0010.01mA 0.010.10mA 0.101.0mA 1.010mA 10100mA v多晶：50-55,若60为不合格v单晶：40-501.3 非平衡少数载流子寿命的测量非平衡少数载流子寿命的

29、测量 v 少数载流子寿命是半导体材料的的一个重要的电少数载流子寿命是半导体材料的的一个重要的电学参数，不仅可以表征半导体材料的质量，也是还学参数，不仅可以表征半导体材料的质量，也是还可以评价器件制造过程中的质量控制，如集成电路可以评价器件制造过程中的质量控制，如集成电路器件中的金属玷污程度，并可以研究制造器件中的金属玷污程度，并可以研究制造器件性能器件性能下降的原因下降的原因。（如太阳电池的转换效率、晶体管的。（如太阳电池的转换效率、晶体管的放大倍数、开关管的开关时间等）放大倍数、开关管的开关时间等）v一、少数载流子的寿命一、少数载流子的寿命v1、非平衡载流子的产生、非平衡载流子的产生v（1）

30、平衡载流子浓度：在一定温度下，处于平衡）平衡载流子浓度：在一定温度下，处于平衡状态的半导体材料的载流子的浓度时一定的。这种状态的半导体材料的载流子的浓度时一定的。这种处于热平衡状态下的载流子的浓度称为平衡载流子处于热平衡状态下的载流子的浓度称为平衡载流子浓度。表达式如下：浓度。表达式如下：v式中式中N0和和p0分别表示平衡电子浓度和空穴浓度分别表示平衡电子浓度和空穴浓度v（2）非平衡载流子）非平衡载流子v如对半导体材料施加外界条件（如光照），破坏了平衡条件，如对半导体材料施加外界条件（如光照），破坏了平衡条件，就会偏离热平衡状态，称为非平衡状态。此时载流子浓度就就会偏离热平衡状态，称为非平衡状

31、态。此时载流子浓度就不再是不再是n0和和p0，可以比他们多出一部分载流子，这些比平衡，可以比他们多出一部分载流子，这些比平衡状态状态多出的载流子多出的载流子称为称为非平衡载流子非平衡载流子，其浓度分别用其浓度分别用n, p 表示。表示。v（3）非平衡多数载流子和非平衡少数载流子）非平衡多数载流子和非平衡少数载流子v对于对于n型半导体，多出来的电子为非平衡多数载流子，多出型半导体，多出来的电子为非平衡多数载流子，多出的空穴为非平衡少数载流子；对于的空穴为非平衡少数载流子；对于p型半导体，多出来的空型半导体，多出来的空穴为非平衡多数载流子，多出的电子为非平衡少数载流子。穴为非平衡多数载流子，多出的

32、电子为非平衡少数载流子。v（4）非平衡载流子的产生非平衡载流子的产生v产生非平衡载流子的方式：产生非平衡载流子的方式：光照、电注入或其他能量传递方光照、电注入或其他能量传递方式。式。v如：光照产生非平衡载流子的过程，如图所示如：光照产生非平衡载流子的过程，如图所示：光照npEcEvv 在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小很多，如载流子浓度小很多，如n型材料，型材料，nn0, pn0,满足这满足这个条件称个条件称小注入小注入。v但是即使在小注入的条件下，只要但是即使在小注入的条件下，只要pp0,非平衡少数载流非平衡少数载

33、流子的影响十分显著。因此子的影响十分显著。因此往往非平衡少数载流子对材料和器往往非平衡少数载流子对材料和器件起着重要的、决定性的作用件起着重要的、决定性的作用。通常把非平衡少数载流子简。通常把非平衡少数载流子简称少数载流子或少子。称少数载流子或少子。v2、非平衡少数载流子寿命、非平衡少数载流子寿命 热平衡时，半导体内部的载流子的产生率等于复合率，系统热平衡时，半导体内部的载流子的产生率等于复合率，系统处于平衡状态；有光等外界影响发生时，载流子产生率大于处于平衡状态；有光等外界影响发生时，载流子产生率大于复合率；光等外界因素消除时，复合率大于产生率，并最后复合率；光等外界因素消除时，复合率大于产

34、生率，并最后趋于平衡。趋于平衡。 定义：定义：当给半导体材料去掉外界条件（停止光照）时，由当给半导体材料去掉外界条件（停止光照）时，由于净复合的作用，非平衡载流子会逐渐衰减以致消失，最后于净复合的作用，非平衡载流子会逐渐衰减以致消失，最后载流子浓度恢复到平衡状态时的值。但非平衡载流子不是立载流子浓度恢复到平衡状态时的值。但非平衡载流子不是立刻消失，而是由一个过程，即他们在导带和价带有一定的生刻消失，而是由一个过程，即他们在导带和价带有一定的生存时间。这些非平衡少数载流子在存时间。这些非平衡少数载流子在半导体内平均存在的时间半导体内平均存在的时间称为非平衡载流子的寿命，简称少子寿命，称为非平衡载

35、流子的寿命，简称少子寿命， 用用表示表示。 假设假设N N型半导体型半导体: : 非平衡载流子分别为非平衡载流子分别为n和和p ，通常把单位时间单位体积，通常把单位时间单位体积内净复合消失的电子内净复合消失的电子-空穴对数称非平衡载流子的复合率，空穴对数称非平衡载流子的复合率， p/就是复合率。就是复合率。 假定假定N型型半导体半导体在在t=0时刻，突然停止光照，时刻，突然停止光照， p将会随时将会随时间变化，间变化，单位时间内非平衡少数载流子浓度的减少为单位时间内非平衡少数载流子浓度的减少为-dp(t)/dt ，应当等于复合率，应当等于复合率，即有，即有小注入时，小注入时， 是一个恒量，上式

36、通解为是一个恒量，上式通解为设设t=0, p(t)= p0,则有则有即非平衡少数载流子寿命的衰减规律成指数衰减，如即非平衡少数载流子寿命的衰减规律成指数衰减，如图所示图所示非平衡载流子浓度变化衰减曲线非平衡载流子浓度变化衰减曲线 二、少数载流子寿命测试方法及其测试原理二、少数载流子寿命测试方法及其测试原理v 随着半导体材料的应用不断发展，促进了少数载随着半导体材料的应用不断发展，促进了少数载流子寿命测试技术也在不断发展，从早期体材料的流子寿命测试技术也在不断发展，从早期体材料的接触式测量，逐渐发展到片状材料的无破坏式、无接触式测量，逐渐发展到片状材料的无破坏式、无接触式和无污染的在线检测，有利

37、于其在生产中的接触式和无污染的在线检测，有利于其在生产中的广泛应用。方法也多种多样。广泛应用。方法也多种多样。1、测试方法、测试方法v（1）瞬态法或直接法）瞬态法或直接法;（2）稳态法或间接法）稳态法或间接法v（1）瞬态法：）瞬态法：利用利用电脉冲或光脉冲电脉冲或光脉冲的一种方式，从半导体的一种方式，从半导体内激发出非平衡载流子，调制了半导体内的电阻，通过测量内激发出非平衡载流子，调制了半导体内的电阻，通过测量体电阻或样品体电阻或样品两端电压的变化规律两端电压的变化规律直接观察半导体材料中的直接观察半导体材料中的非平衡少数载流子的衰减过程，从而测量其寿命。（非平衡少数载流子的衰减过程，从而测量

38、其寿命。（光电导光电导衰退法衰退法等等）v（2）稳态法：）稳态法：利用稳态光照的方法，使半导体材料中非平利用稳态光照的方法，使半导体材料中非平衡载流子的分布达到稳定状态，然后测量半导体中某些与寿衡载流子的分布达到稳定状态，然后测量半导体中某些与寿命有关的物理量（如扩散长度）来推算少子的寿命。（命有关的物理量（如扩散长度）来推算少子的寿命。（扩散扩散长度法长度法、表面光电压法表面光电压法、光磁法等光磁法等）三、光电导衰退法三、光电导衰退法1、直流光电导衰退法、直流光电导衰退法（1）如图所示为直流光电导衰退法测量少子寿命的）如图所示为直流光电导衰退法测量少子寿命的装置（如下图所示）装置（如下图所示

39、）vA、样品内的电场强度：、样品内的电场强度：必须满足以下几个条件必须满足以下几个条件:vB、RL20R,保证电流保证电流I恒定。恒定。vC、直流电源和、直流电源和RL为可调。为可调。vD、光照必须在中心部分。、光照必须在中心部分。v（2）基本原理：如上图所示）基本原理：如上图所示v样品上无光照时，样品内无非平衡载流子，样品两端电压为：样品上无光照时，样品内无非平衡载流子，样品两端电压为：v v若给样品光照，样品中产生了非平衡载流子，引起点导增加，若给样品光照，样品中产生了非平衡载流子，引起点导增加，电阻下降，引起样品两端的电压也发生变化。则有电阻下降，引起样品两端的电压也发生变化。则有v 则

40、有则有v v设样品在无光照时的电阻率为设样品在无光照时的电阻率为 0，光照后的电导率为，光照后的电导率为，则则v v将上式代入将上式代入v v假定在光照不太强的情况下，注入半导体中的非平衡载流子假定在光照不太强的情况下，注入半导体中的非平衡载流子较少，因此样品电导率变化也小，此时满足小注入的条件：较少，因此样品电导率变化也小，此时满足小注入的条件：v所以有所以有v v如样品为如样品为n型半导体型半导体v v式中，式中，p为激发的非平衡载流子浓度为激发的非平衡载流子浓度 v将以上两式代入将以上两式代入 v则有则有v v 由上式可知，在满足小注入的条件下，样品两端电压的由上式可知，在满足小注入的条

41、件下，样品两端电压的衰减规律与产生的少子衰减规律相同。衰减规律与产生的少子衰减规律相同。v令令 则有则有v（3）直流光电导衰退法的优缺点）直流光电导衰退法的优缺点v优点：优点：v1）测量准确度高）测量准确度高v2) 测量下限比较低（几个测量下限比较低（几个s）v缺点：缺点：v1）对样品的尺寸及几何形状有一定要求）对样品的尺寸及几何形状有一定要求v2）需制备一定要求的欧姆接触。）需制备一定要求的欧姆接触。v（4）直流光电导衰退法测试的影响因素：）直流光电导衰退法测试的影响因素：v1）电场强度）电场强度:v 电场过大时，产生的少子在电场作用下飘移过快，还没来电场过大时，产生的少子在电场作用下飘移过

42、快，还没来得及复合就被被电场牵引出半导体外，显然测得的少子寿命得及复合就被被电场牵引出半导体外，显然测得的少子寿命值偏低。因此有一个值偏低。因此有一个“临界电场临界电场”确保少子飘移不会引起测确保少子飘移不会引起测试值的偏差，因此满足：试值的偏差，因此满足：v2）注入比）注入比:(p/n0)va、当小注入时，即、当小注入时，即p/n01%，则，则V/V0 1%,= =v vvb b、当大注入时，即当大注入时，即p/n01%，则，则V/V0 1%,= =v v（1- 1- V/V0 ）v3）表面复合的修正）表面复合的修正v当半导体内注入非平衡载流子后，有两个复合中心：体内杂当半导体内注入非平衡载

43、流子后，有两个复合中心：体内杂质、缺陷产生的复合中心、表面能级复合中心，使非平衡载质、缺陷产生的复合中心、表面能级复合中心，使非平衡载流子逐渐衰减。则有流子逐渐衰减。则有v要保证测量的准确，表观寿命要大于体寿命的一半，表面复要保证测量的准确，表观寿命要大于体寿命的一半，表面复合不能大于体复合。对样品的要求：合不能大于体复合。对样品的要求：a）要求尽量使用较大尺寸的样品测量，减小比表面积）要求尽量使用较大尺寸的样品测量，减小比表面积b）测量时，使用带有滤光片的贯穿光，光源波长约）测量时，使用带有滤光片的贯穿光，光源波长约1.1m,以减少少数载流子的影响以减少少数载流子的影响v表面复合影响较大时，

44、非平衡载流子的衰减偏离指数曲线，表面复合影响较大时，非平衡载流子的衰减偏离指数曲线，测量的寿命比实际寿命值要短，所以按以上公式进行修正。测量的寿命比实际寿命值要短，所以按以上公式进行修正。此时对样品的要求：此时对样品的要求：va） 对表面进行研磨或喷砂；对表面进行研磨或喷砂；vb）样品的尺寸和形状：样品越小，即其比表面积越大，表）样品的尺寸和形状：样品越小，即其比表面积越大，表面复合作用的影响也越大面复合作用的影响也越大v4）光照面积）光照面积v测量时，要求光照射导样品的中央，此时输出信号强度最大。测量时，要求光照射导样品的中央，此时输出信号强度最大。若光照在样品边缘，电极附近的非平衡载流子容

45、易被电场扫若光照在样品边缘，电极附近的非平衡载流子容易被电场扫到电极上，从而加快非平衡载流子的衰减，导致测试寿命偏到电极上，从而加快非平衡载流子的衰减，导致测试寿命偏低。要求光照限制在低。要求光照限制在1/4正中央面积上。正中央面积上。v2、高频光电导衰退法、高频光电导衰退法v（1）高频光电导衰退法的测试装置和原理基本与直流光电）高频光电导衰退法的测试装置和原理基本与直流光电导相同，只是用高频电源代替了直流电源，且此方法用导相同，只是用高频电源代替了直流电源，且此方法用电容电容耦合耦合的方法，如图所示的方法，如图所示v（2）测试原理）测试原理v如图所示，为高频光电导衰退法测试的有效电路。如图所

46、示，为高频光电导衰退法测试的有效电路。v当无光照时，高频电磁场（当无光照时，高频电磁场（30MHz)的作用，由高频源流经的作用，由高频源流经样品，电阻样品，电阻R2的电流：的电流：v当样品受到光照时，样品中产生非平衡载流子，其电导率增当样品受到光照时，样品中产生非平衡载流子，其电导率增加，电阻减小，因此样品两端的高频电压下降，因此高频电加，电阻减小，因此样品两端的高频电压下降，因此高频电流的幅值增加。则有流的幅值增加。则有v当光照停止后，非平衡少数载流子按指数衰减，逐渐复合而当光照停止后，非平衡少数载流子按指数衰减，逐渐复合而消失，直到回到无光照时的状态，此过程中电流是一个调幅消失，直到回到无

47、光照时的状态，此过程中电流是一个调幅波，有波，有v相应匹配电阻相应匹配电阻R2上的电压也是一个高频调幅波，如图所示：上的电压也是一个高频调幅波，如图所示：v则有则有v 因此，只要满足因此，只要满足小注入小注入的条件，的条件，R2两端电压成指两端电压成指数衰减，可以代表非平衡少数载流子的衰减规律，数衰减，可以代表非平衡少数载流子的衰减规律，所以可以通过电压信号测得寿命值。所以可以通过电压信号测得寿命值。v 再通过检波器和旁路电容进行检波滤波，在示波再通过检波器和旁路电容进行检波滤波，在示波器得到电压的衰减曲线，通过其电压曲线测量少子器得到电压的衰减曲线，通过其电压曲线测量少子寿命的大小。寿命的大

48、小。(3)高频光电导衰退法的特点高频光电导衰退法的特点(最广泛的一种测试方法最广泛的一种测试方法)v优点：优点：v1）样品无需切割）样品无需切割v2）测量不必制备欧姆电阻）测量不必制备欧姆电阻v3）依靠电容耦合，样品不易受污染）依靠电容耦合，样品不易受污染v4）测试简单）测试简单v缺点：缺点：v1）仪器线路复杂，干扰大）仪器线路复杂，干扰大v2）测量寿命下限高）测量寿命下限高(受脉冲余辉的限制受脉冲余辉的限制）v（4）高频光电导衰退法测试仪（高频光电导衰退法测试仪（LT-1）测试仪示波器v设备配置及参数设备配置及参数v寿命测试范围：寿命测试范围：106000s按测量标准对仪器设备的要求，本仪器

49、设备配有：按测量标准对仪器设备的要求，本仪器设备配有：2.1 光脉冲发生装置光脉冲发生装置重复频率重复频率25次次/s 脉宽脉宽60s 光脉冲关断时间光脉冲关断时间5s红外光源波长：红外光源波长：1.061.09m（测量硅单晶）（测量硅单晶） 脉冲电源：脉冲电源：5A20A2.2 高频源高频源 频率：频率：30MHz 低输出阻抗低输出阻抗 输出功率输出功率1W2.3 放大器和检波器放大器和检波器频率响应：频率响应：3Hz1MHz2.4 配用示波器配用示波器配用示波器：频带宽度不低于配用示波器：频带宽度不低于10MHz Y轴增益及扫描速度轴增益及扫描速度均应连续可调均应连续可调 v操作方法操作方

50、法:（标准曲线法标准曲线法）v1、合上少子寿命测试仪和示波器电源开关，使仪器预热、合上少子寿命测试仪和示波器电源开关，使仪器预热10分钟。分钟。v2、将清洁处理后的样品置于电极上面，为提高灵敏度，请、将清洁处理后的样品置于电极上面，为提高灵敏度，请在电极上涂抹一点自来水。在电极上涂抹一点自来水。v3、打开光电源开关，适当调节电压，粗调扫描速度，使示、打开光电源开关，适当调节电压，粗调扫描速度，使示波器上出现清晰的衰减曲线，且头部略高于坐标点（波器上出现清晰的衰减曲线，且头部略高于坐标点（0，6），），衰减曲线的尾部相切于衰减曲线的尾部相切于X轴。轴。v4、调整示波器相关旋钮（电平，、调整示波器

51、相关旋钮（电平，Y轴衰减，微调轴衰减，微调X轴扫描速轴扫描速度，垂直增益及曲线的上下左右位置等），使仪器输出的指度，垂直增益及曲线的上下左右位置等），使仪器输出的指数衰减光电导信号波形尽量标准曲线重合。数衰减光电导信号波形尽量标准曲线重合。v5、读数并计算、读数并计算=L.S(s=L.S(s扫描速度，扫描速度，LXLX轴的刻度）轴的刻度）v（5）侧准因素的分析）侧准因素的分析v1）严格控制在）严格控制在“注入比注入比1%”的范围内。一般取使注入比近的范围内。一般取使注入比近似等于似等于 V /V。（。（若样品为高阻时，若样品为高阻时， V /V 1%，若为低阻，若为低阻时，时， V /V 0.

52、35%）v减少注入比的方法：减少注入比的方法：va ）调节氙灯的闪光电压。）调节氙灯的闪光电压。vb ）加滤波片。）加滤波片。vc）加光阑，限制光通量。）加光阑，限制光通量。v2）衰减曲线的初始部分为快速衰减（）衰减曲线的初始部分为快速衰减（由于表面复合引起由于表面复合引起），），在测量中要去除。如图所示。在测量中要去除。如图所示。va、用滤波片去掉非贯穿光，减小少子；、用滤波片去掉非贯穿光，减小少子；vb、读数时要将信号幅度的头部去掉再读数。、读数时要将信号幅度的头部去掉再读数。v3）陷阱效应的影响）陷阱效应的影响v陷阱效应陷阱效应：由于某种原因，半导体中出现了非平衡载流子，：由于某种原因，

53、半导体中出现了非平衡载流子，从而造成半导体内部的杂质能级上电子数目增加或者减少，从而造成半导体内部的杂质能级上电子数目增加或者减少，使得杂质具有收容电子或者空穴的作用，就是陷阱效应。使得杂质具有收容电子或者空穴的作用，就是陷阱效应。v一般情况下，这些落入陷阱的非平衡载流子需要一定时间才一般情况下，这些落入陷阱的非平衡载流子需要一定时间才能释放出来，因此导致少子寿命偏大。使曲线出现能释放出来，因此导致少子寿命偏大。使曲线出现“拖尾拖尾巴巴”。如左图所示：。如左图所示：v去除陷阱效应的措施：去除陷阱效应的措施：va、样品加底光照，或让光激发的载流子填满陷、样品加底光照，或让光激发的载流子填满陷阱，使陷阱在测试中失去俘获非平衡载流子的阱，使陷阱在测试中失去俘获非平衡载流子的能