少子壽命介紹

1、少子壽命原理及應(yīng)用黎曉豐n1. 半導(dǎo)體簡(jiǎn)介n2. 非平衡載流子及少子壽命n3. 少子壽命影響因素n4. 少子壽命的測(cè)試方法簡(jiǎn)介n5. WT-2000的運(yùn)用1. 半導(dǎo)體 (Semiconductor)n硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等n導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間(10-4 1010 cm)n電導(dǎo)率和導(dǎo)電型號(hào)對(duì)雜質(zhì)和外界因素高度敏感硅(Silicon) 金剛石結(jié)構(gòu)，每個(gè)硅原子與四個(gè)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(duì)形成共價(jià)鍵能帶(energy band)n導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶寬度n載流子：電子(自由電子、electron)、空穴(hole)電子帶負(fù)電空穴帶正電電子空穴ECE

2、V1.12 eV摻雜n為得到一定的載流子濃度而摻入電活性的雜質(zhì)。n通常P型摻雜摻B； N型摻雜摻P。N型ECEVEAP型ECEVEDnP型摻雜(III族)：B、Al、Ga、InnN型摻雜(V族)：P、As、Sbn均為淺能級(jí)雜質(zhì)n常溫下，非重?fù)?，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。nP型硅的載流子絕大部分為空穴?？昭槎鄶?shù)載流子(majority carrier)，簡(jiǎn)稱多子；電子為少數(shù)載流子(minority carrier)，簡(jiǎn)稱少子。nN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n平衡狀態(tài)下，電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合率相等。電子和

3、空穴濃度n、p不變。ECEV產(chǎn)生復(fù)合n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(lái)的載流子。ECEVh非平衡載流子濃度為n、p。n = pn在光激發(fā)下，一開(kāi)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(shí)G = R，此時(shí)載流子濃度趨于穩(wěn)定。n電子和空穴濃度： n = n0 + n；p = p0 + p n0 、p0分別為平衡時(shí)電子和空穴的濃度。n當(dāng)光激發(fā)撤銷時(shí)，一開(kāi)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(shí)n = p = 0；G = R。n在這過(guò)程中，凈的復(fù)合率U = R G 此過(guò)程即稱為非平衡載流子的復(fù)合(recombination)過(guò)程。n若定義非平衡

4、載流子單位時(shí)間的復(fù)合概率為1/，則ndtndUnUtenn0)(非平衡載流子呈指數(shù)衰減為載流子的復(fù)合壽命tenn0)(n的物理意義：非平衡載流子的平均生存時(shí)間。n越大，載流子復(fù)合能力愈弱。衰減得越慢； 越小，衰減得越快。n因?yàn)榉瞧胶廨d流子對(duì)少子濃度影響極大，所以稱為少子壽命n少子壽命一般指少子復(fù)合壽命。n影響少子壽命因素很多，影響機(jī)制極復(fù)雜。少子壽命的作用n太陽(yáng)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(dòng)產(chǎn)生的。n載流子的復(fù)合會(huì)使光電流減少。少子壽命越小光電流越小。n同時(shí)少子壽命減小，增加漏電流從如使開(kāi)路電壓減小。n總之，少子壽命越小，電池效率越低。4. 少子壽命影響因素n影響少

5、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。n實(shí)際測(cè)量得到的是體復(fù)合和表面復(fù)合共同作用的少子壽命n有用的是體復(fù)合得到的體少子壽命。 體復(fù)合機(jī)制n1. 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。n在硅中低注入水平下并非主要復(fù)合過(guò)程n2. 間接復(fù)合： 通過(guò)復(fù)合中心復(fù)合。 復(fù)合中心為深能級(jí)雜質(zhì)。 為硅中的主要復(fù)合形式。nSRH(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(shí)間常數(shù)。n1和p1分

6、別為費(fèi)米能級(jí)處于復(fù)合中心能級(jí)Et時(shí)電子和空穴的濃度。SRH復(fù)合的討論1. 復(fù)合中心能級(jí)Et越深少子壽命越小，所以深能級(jí)雜質(zhì)對(duì)少子壽命影響極大，即使少量深能級(jí)雜質(zhì)也能大大降低少子壽命。過(guò)渡金屬雜質(zhì)往往是深能級(jí)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(qiáng)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n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(cè)試體少子壽命時(shí)產(chǎn)生偏差。n有用的是體少子壽命。n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。nUS=S

7、nnS的單位為速度單位。S的大小取決于表面狀態(tài)，對(duì)于裸片S約為50000 cm/s。對(duì)于各種鈍化方法S可小于10cm/s。有效壽命n在多種獨(dú)立的復(fù)合機(jī)制下的實(shí)際的壽命為有效少子壽命。即為測(cè)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(jī)制的壽命。影響有效少子壽命的因素n低注入水平下，中等摻雜，輻射壽命和Auger壽命遠(yuǎn)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。n考慮到體復(fù)合和表面復(fù)合的共同作用，有如下關(guān)系n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。nW為硅片厚度Dn為電子的擴(kuò)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。n體少子壽命越大，表面復(fù)合速率越大，偏差越大

8、。n厚度越薄，偏差越大n當(dāng)體少子壽命小于1s，無(wú)論S多大，偏差小于10%。n當(dāng)表面狀態(tài)一定時(shí)，體少子壽命降低，有效少子壽命也降低。4. 少子壽命測(cè)試方法n1. -PCD (Microwave Photoconductivity Decay) 微波光電導(dǎo)衰減 WT-2000n2. QSSPCn3. SPV n紅外脈沖激光源(905nm)n微波源和信號(hào)接收(10 0.5 GHz)原理n脈沖激光激發(fā)非平衡載流子n微波探測(cè)器探測(cè)發(fā)射和反射的微波譜n低注入水平下，一定的頻率下，發(fā)射和反射微波型號(hào)差正比于非平衡載流子濃度n。n選取不同的頻率，信號(hào)差有時(shí)正有時(shí)負(fù)。無(wú)論如何都和非平衡載流子濃度n成正比n信號(hào)呈指數(shù)衰減，即呈現(xiàn)出非平衡載流子衰減的規(guī)律。n通過(guò)擬合指數(shù)衰減信號(hào)得到少子壽命的值。n對(duì)樣品表面連續(xù)點(diǎn)掃描可以得到少子壽命分布圖。n選擇合適的測(cè)試參數(shù)范圍可以減少誤差，一般Autosetting可自動(dòng)選擇