少子寿命测试仪说明书

LT-100C数字式硅晶体少子寿命测试仪使用说明书

广州市昆德科技有限公司

目录

1.概述 (1)

2.设备的组成及技术指标 (2)

3.仪器的使用 (3)

4.寿命值的测试读数方法 (6)

5.数字示波器的使用 (9)

6.寿命测量准确度的校核方法 (12)

7.仪器结构及维修 (13)

8.整机体积、重量、电源 (14)

1.概述

1.1.LT-100C高频光电导少数载流子寿命测试仪是参照半导体设备和材料国际组织SEMI标准（MF28-0707、MF1535-0707）及国家标准GB/T1553-1997设计制造。本设备采用高频光电导衰减测量方法，适用于硅、锗单晶的少数载流子寿命测量，由于对样块体形无严格要求，因此广泛应用于工厂的常规测量。寿命测量可灵敏地反映单晶体重金属污染及缺陷存在的情况，是单晶质量的重要检测项目。

目前我国测量硅单晶少子寿命的常用方法为高频光电导衰退法（hfPCD）及微波反射光电导衰退法（μPCD），两种方法均无需在样品上制备电极，因此国外都称为无接触法。

dcPCD（直流光电导衰退法）是测量块状和棒状单晶寿命的经典方法；μPCD法是后来发展的测量抛光硅片寿命的方法。这两种方法对单晶表面的要求截然相反，dcPCD法要求表面为研磨面（用粒径为5—12μm氧化铝粉研磨，表面复合速度接近无限大，≈107㎝/s），这是很容易做到的；μPCD法则要求表面为完美的抛光钝化面，要准确测量寿命为10μｓ的P型硅片表面复合速度至少要小于103㎝/秒，并需钝化稳定，这是很难做到的。

hfPCD光电导衰退法介于两者之间，它和dcPCD法一样可以测量表面为研磨状态的块状单晶体寿命，也可以测量表面为研磨或抛光的硅片寿命。特别要强调的是：无论用何种方法测量“表面复合速度很大而寿命又较高的”硅片（切割片、研磨片），由于表面复合的客观存在，表观寿命测量值肯定比体寿命值偏低，这是无容置疑的，但是生产实际中往往直接测量切割片或未经完善抛光钝化的硅片，测量值偏低于体寿命的现象极为普遍，因此我们认为此时测出的寿命值只是一个相对参考值，它不是一个真实体寿命值，而是一个在特定条件下（体寿命接近或小于表面复合寿命时）可以反映这片寿命高，还是那片寿命更高的相对值。供需双方必须有一些约定，如约定清洗条件、切割条件和测量条件，只有供需双方经过摸索并达成共识，才能使这样的寿命测量值有生产验收的作用，否则测量值会是一个丝毫不能反映体寿命的表面复合寿命。

因此实际生产中我们主张尽量用高频光电导衰退法测量硅块、棒或锭的寿命，这样寿命测量既准确又可以减少测试工作量。

1.2.LT-100C型寿命仪是LT-1（基本型）的升级换代产品，在低阻硅单晶测量时，采用了全新理念，使信噪比提高了数十倍至数百倍，将硅单晶寿命测量下限从ρ＞3Ω·cm，延伸到ρ≥0.3Ω?㎝，除能测量高阻单晶外亦可满足太阳电池级硅片（裸片）

的测试要求，仪器既可测量硅块亦可测量硅片（硅片可放在托架上测量）。

1.2.1.本仪器为了能直接读取寿命值编写了特殊的软件存入数字存储示波器，这些软件依照少子寿命测量的基本原理编写，同时采用了国际标准（MF28及MF1535）中推荐的几种读数方法。

1.2.2.由于数字示波器具有存储功能，应用平均采样方式，平均次数可选4、16、32、64、128、256次，随平均次数的增加随机噪声被减小，波形更稳定、清晰。

1.2.3.数字示波器使用晶振做高稳定时钟，有很高的测时精度；采用多位A/D转换器使电压幅度测量精度大大提高，因此提高了寿命测量精度。

1.3.扩大了晶体少子寿命可测范围，除配置了波长为1.07μm的红外发光管外，增加配备了波长为0.904～0.905μm光强更强的红外激光器，减小了光源的余辉，使晶体（研磨面）可测电阻率低至0.3Ω·cm，寿命可测下限延至0.25μs。

1.4.制样简单，参照MF28，晶体测试面用粒径为5～12μm氧化铝粉或其它磨料研磨或切割即可，无需抛光钝化。

LT-100C型寿命仪配有两种光源电极台，一种波长为1.07μm，适合于测量硅单晶块或棒的体寿命；另一种波长为0.904～0.905μm，适合于测量切割或研磨太阳能硅片的相对寿命，与微波反射法测量条件相近，因此测量值也较接近。

2.设备的组成及技术指标

本仪器的测量系统电路示意图如图1所示。

图1 测量系统电路示意图

仪器测量范围：

少子寿命测量范围：0.25μS～10ms；晶体样品（研磨面）电阻率下限≥0.3Ω·cm，尚未发现电阻率测量上限。

型号：N型或P型单晶或铸造多晶。

按国家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

重复频率＞15次/S 脉宽≥10μS

红外光源长波长：1.06～1.08μm 脉冲电流：5A～16A

红外光源短波长：0.904～0.905μm脉冲电流：5A～16A

2.2.高频源

频率：30MH Z低输出阻抗输出功率＞1W

2.3.放大器和检波器

频率响应：2H Z～2MH Z

放大倍数：30倍（约）

2.4.配用示波器

配用装有自动测量少子寿命（光电导衰退时间）软件的专用数字示波器：模拟带宽60MHz，最大实时采样率1GSa/S，垂直灵敏度2mv-5v/div，扫描范围：2.5ns—50s/div，平均次数：4～256，可自动测量波形参数，亦可用手动光标直读寿命。

标准配置接口：USB Device，USBHost，RS232，支持U盘存储和PictBridge打印（详见示波器说明书）。

2.5.仪器所配置的光源电极台既可测纵向放置的单晶，亦可测量竖放单晶横截面的寿命。配置增加了测量低阻样片用的升降台以及装有特殊弹形电极的光源电极台。2.6.测试范围：电阻率ρ≥0.3Ω?㎝，寿命0.25～10000μｓ

3.仪器的使用

图2 仪器正视图

3.1.开机前检查电源开关（图2）是否处于关断状态：

“0”处于低位，“1”在高位——关态

在寿命仪信号输出端和示波器通道2（CH2）之间，用随机配置的信号线联接。拧紧寿命仪背板的保险管帽，插好电源线。

3.2.打开寿命仪电源开关

即将电源开关“1”按下，此时“1”处于低位，“0”在高位。开关指示灯亮。先在电极尖端点上两滴自来水，后将单晶放在电极上准备测量。

3.3.开启脉冲光源开关

光脉冲发生器为双电源供电，先按下光源开关“1”，此时“1”在低位，“0”在高位，寿命仪内脉冲发生器开始工作。再顺时针方向拧响带开关电位器（光强调节），此时光强指示数字表在延时十秒左右（储能电容完成充电）数值上升。

测量数千欧姆·厘米的高阻单晶时，光强电压只要用到2—5V左右；测量数十欧姆·厘米的单晶可将电压加到5—10V左右。测量几欧姆·厘米的单晶可将电压加到10—15V左右。光强调节电位器顺时针方向旋转，脉冲光源工作电压升高，光强增强，

最高不超过16V，此时流经发光管的电流高达16A，因此尽量不要在此条件下长期工作。

警告：特别要注意的是光强调节开关开启后，红外发光管已通入很大的脉冲电流，此时切勿再关或开光源开关，以免损坏昂贵的发光管。只有光强调节电位器逆时针旋转到关断状态（会听到响声）再关或开光源开关。

3.4.寿命仪电源开关在开启瞬间，由于机内储能电容、滤波电容均处于充电状态，是一个不稳定的过程，因此示波屏上会出现短时间杂乱不稳的波形，待充电完成后示波屏上出现一条较细的水平线时，寿命仪才进入工作状态。因此使用前请开机预热2～3分钟。更换单晶测量时无需再开关仪器。

3.5.批量测试时，如发现信号不佳时，请先考虑补充两个金属电极尖端的水滴，但注意水滴不要流入出光孔。

3.6.长期使用后，电极部份如氧化变黑，此时如加水也不能改善信号波形，请用裁纸刀或细砂纸去除发黑部份，并将擦下的黑灰用酒精棉签擦净。

3.7.低阻单晶寿命测试台的使用

低阻单晶是指电阻率ρ：0.3～1Ω?㎝的硅单晶，单晶表面可以是切割面或研磨面。对于≤0.3Ω?㎝的单晶片，如果光电导衰退信号太弱，表面需经化学抛光处理方可测量寿命。测量时操作程序如下：

3.7.1.向上推开样品盖将切割片或化学抛光后的样片（厚度0.1~50mm）放在样片托架上再盖好上盖，抛光后样品存放时间不宜太长，如需较长时间保存，请用碘酒钝化（详见样品表面制备方法）。

3.7.2.调节升降架的位置，使样品离电极2cm左右拧紧升降架的锁紧螺栓，旋转粗调旋钮使样品下降，一当样品接触到电极上的水珠时，检波电压表上的数值会突然升高。

3.7.3.继续旋转粗调旋钮，同时观察示波屏上是否出现指数衰减信号，一当出现信号，请减慢旋转速度，直至出现明显的光电导衰减波形，即停止旋转，改用微调旋钮，调节到最佳波形出现为止，一般情况下此时的检波电压处于最高值。

3.7.

4.在旋转粗调旋钮时，有时会出现低频谐振点，此时指数波形衰减较慢，出现不合理的超长读数，不可将此时的衰减时间当作寿命值。一般以出现指数衰减最快的波形时读取的寿命值为准。

3.7.5.所测寿命是出光孔上方光照区（直径约3-4mm）部位的单晶寿命值，整个单晶样品的寿命分布往往是不均匀的。因此本机亦可测单晶横截面上的寿命分布。

3.7.6.测量太阳能电池用线切割硅片（1～3Ω?㎝），可以使用0.904～0.905μm 波长光源，测出的寿命值是相对值，部分样品寿命测量值会高于微波法，而接近抛光硅片的微波测量值，这是因为微波反射法受表面复合的影响大于高频光电导法。

4.寿命值的测试读数方法

4.1.少子寿命的基本概念

硅、锗单晶是比较成熟完美的半导体材料，正常情况下，其晶体缺陷及有害杂质都很少。由于单晶生长设备使用不锈钢、铜等金属材料，一当生产工艺出现问题（如区熔炉线圈打火），晶体会受到杂质污染或形成不该有的缺陷。对硅、锗单晶中的重金属杂质污染，通过电阻率测量是不易觉察的，但寿命测量却能非常灵敏地反映它们的存在，灵敏度远远超过其它测试方法（如等离子光谱、质谱、原子吸收谱等），因此寿命测试是检验单晶质量必不可少的项目。寿命值的大小直接影响器件的基本性能，如电流放大系数、开关速度等，而重金属沾污会引起器件失效。

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电触发的情况下会在表面及体内产生新的（非平衡）载流子，一当外界作用撤除后，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。

非平衡少数载流子（简称少子）在撤除外界作用（如光照）后由于复合而逐渐消失，其数量的衰减过程，可通过微分方程求得如下结果：

△n(t)=△n(0) e-t/τ（1）

其中△n(0)是开始时的非平衡少子浓度，由于复合，△n(t)随时间而衰减。

τ反映了非平衡少子平均存在的时间，即我们要测量的寿命值。

4.2.表面复合与体复合

半导体中同时存在着两种载流子：电子和空穴，它们都属于微观粒子，可以用量子力学来描述其运动规律。首先电子和空穴的能量并非是可以连续分布，而是处于分隔的能级上，它们只能在这个能级或另一个能级，而不能在两个能级之间的任意位置。例如电子的能量状态可以在硅单晶的导带、满带和禁带中间的杂质（或缺陷）能级上，而不能处于禁带中没有能级存在的位置。下面以锗和硅体内少数载流子寿命的标准测

量方法（SEMI MF28-0707）“光电导衰减法”为例，阐明复合与寿命之间的关系。

对于块状单晶或厚度大于扩散长度的厚片，表面为研磨时，光照期间光子由表及里，在硅单晶的表面到一定深度的体内都将产生光生非平衡载流子（电子-空穴对）：△n=△p，一当光照停止，这些非平衡载流子便通过单晶中的复合中心（重金属杂质能级、晶体缺陷能级、表面复合能级）逐渐复合消失，

复合率=△n/τ或△p/τ（2）

这个过程既发生在单晶体内也发生在表面，我们在示波屏上看到的衰减曲线，已是通过LT-100C寿命仪将非平衡载流子浓度的变化转换为光电导电压的变化：

△V=△V。e-t/τ（3）

曲线头部是光照表面（研磨面）复合起主导作用，而我们要测量的是体寿命，因此在寿命测量时，根据MF28的要求，我们往往要去掉曲线头部（高次模部分），从峰值的80%至40%开始观测光电导电压衰减1/e所需要的时间。

以上的讨论均指在块状晶体中发生的复合现象，此时只有光照面起表面复合作用，晶体另一端非光照面由于光生少子扩散不到，因此不起加速复合的作用，但是如果晶片较箔，光生少子可以扩散到非光照面（研磨面）复合。此时就不能用简单的甩掉曲线头部的办法来避开表面复合对测量体寿命的影响，此时晶片的表面复合寿命：

τS=τdiff + τsp =L2/π2D+L/2S

其中L—晶片厚度D—少子扩散系数Dn=33.5cm2/s Dp=12.4 cm2/s

表观寿命τF与体寿命τb，表面复合寿命τS的关系是：

1/τ F =1/τb +1/τS

由于研磨面的表面复合速度是稳定的S=107cm/s，因此τS便于计算，在测出τF后，容易通过修正得到τb值；相反地抛光片的表面复合速度在0.25～105cm/s变化，且不稳定，因此τS难以估算，τb值也就无法确定。

由于高频光电导衰退法的理论模型是建立在表面为研磨面的基础上，因此制样简单，做修正计算也比较严谨、方便。

太阳能硅片大量生产后，出现了微波反射法测量少子寿命，微波反射法的理论模型是表面完美抛光，表面复合速度很小，要求表面复合寿命大于10倍体寿命，此时测出的表观寿命将以10%的精度表征体寿命，但是在实际使用中，往往用切割片或未做抛光钝化的晶片测量，因而在光电导衰退曲线中包含了很大成分的表面复合因素，为了适应实际测量的需要MF1535-0707中提出了几种体和表面复合都存在时，根据取衰退曲线的不同部位而定义的寿命，如下图所示：

反射微波功率衰退曲线和复合寿命的确定

体复合寿命（τb）—去除表面复合后，利用峰值电压V

在45-5%范围内的指数衰减部分计算的时间常数。

1/e寿命（τe）—将t1和t0之间的间隔时间计算为1/e寿命。

基模寿命（τ1）—将衰减曲线衰退到可以被认为是指数性的部位的时间常数（t B –t A）计为基模寿命τ1。

τ1的另一种变通的计算方法是τ1= t2- t1，t2是衰退到峰值1/e2的时间，t1为峰值衰退到1/e的时间。

4.3.读数方法

我们综合MF28和MF1535寿命的各种读数方式，在数字示波器软件中对光电导衰退曲线设置了以下六种不同部位取值的方式，供用户选择。

按MF1535-0707的推荐，利用峰值电压V

0的45-5%范围内的衰退曲线的指数部分

计算时间常数，此常数为体复合寿命τb，因此一般情况下，建议用户用第5种方式读取体寿命值，但在测量大部分块或棒状单晶寿命时，表面复合的影响往往仅在头部出

现，而从80%V

0至60%V

处开始观测寿命时，已避开了表面复合引起的光电导衰退曲线

高次模部分，亦可在较大的信噪比的情况下，读得体寿命值，因此也可以使用。特别是在样品中存在陷阱效应时，选择低的V起点（如30%、40%）会测出虚假的高寿命，此时将衰减比例选在80%至60%有利于减少陷阱效应的干扰。

5.数字示波器的使用

5.1.将寿命仪主机信号线接入Y CH2高频插座，按示波器顶盖电源开关。

检查CUR SORS（光标）、MEASURE（自动测量）、CH2、RUN/STOP

4个绿灯是否亮，如有缺亮的灯，请按相应按键。RUR/SOTP灯红色时为停止，绿色方能运转。

5.2.数字示波器前面板部分操作：

▲

5.2.1.垂直系统

▼

垂直通道电压灵敏度由CH2上方的大旋钮控制，按一下，粗调（步进）；再按一下为细调，注意网络下方左边的CH2/V的变化，此数代表每分格（8.9㎜）的电压值,低阻单晶CH2/V后面数字常用在20、50、100mv/div档,CH2下面的小旋调控制波形在显示屏的上下位置，如在调节波形垂直大小时波形可能失显，此时按一下垂直系统的小旋钮归零或调节level同步即可重新显示。

5.2.2.水平系统??

大旋钮只有扫描速度的步进调节功能，设有细调功能。

（注：此旋钮按一下出现两条直线是限定波形被放大的部分，再按一下出现放大后的波形，再按一下则还原，完全是放大波形便于观察细节，并无调节的实际功能）大旋钮调节扫描速度时，请注意屏幕网络下方M=××μS，它表示每分格代表的扫描时间，一般选M值与单晶寿命相近，低阻单晶选M=10、25、50μS。

小旋钮控制波形在屏幕上的左右位置，调节时请缓慢旋转，调节扫描速度时波形也可能跳到屏幕显示之外，此时按一下小旋钮波形会回到显示屏中间位置。

5.2.3.同步系统

由于寿命仪信号线接入CH2，因此只能选CH2为触发信源，不能选CH1或脉冲、视频等。

触发类型选：上升边沿Δ

触发方式：自动或在波形不稳时选单次。

耦合设置：一般选交流或（在波形漂动时）选低频抑制，特长寿命（＞1ms）测量选“直流”。按LEVEI会有一条水平亮线出现，旋转此按钮时，亮线上下移动，当亮线移至波形要出现的位置，波形将稳定出现。

基本设置完成后关闭电源示波器将自动保存设置，下次开机即可直接使用，蓝色AUTO为自动设置键，按一下变成了出厂设置，不是我们要用的，如无意按下，需按上述要求重新设置。

5.3.基本设置及使用方法

为了更快的掌握示波器的使用方法，现列出其基本设置、调试方法及注意事项，如下所示：

5.3.1.首先打开示波器顶端的电源开关，选择所使用的通道CH1或CH2，如选通道CH2，则按下相应的按钮，选好后按钮会发绿色的光，注意此时保证其它三个按钮在未选中状态，其中右边的两个旋钮为CH2的V olt/div旋钮和垂直POSITON旋钮，“S/div”为水平控制用于改变扫描时间刻度，以便在水平方向放大或缩小波形。

5.3.2.选好通道以后进行基本参数设置，其中设置菜单均在屏幕右边，并使用旁边对应的五个蓝色按钮来选择要设置的项，进入二级菜单时使用万能旋钮，通过旋转使光标锁定在所需项，这时按下万能旋钮来确定，再查看所选项是否正确,操作请按如下步骤：

①如选用CH2时，耦合选交流、带宽限制开启、下一页的反相关闭、数字滤波关

闭，其它不需特别设置；

②点击TRIG MENU按钮，屏幕右边出现一列菜单其中类型选为边沿、信源选所使

用的通道如CH2、触发方式为自动、斜率选第一项；

③选择DISPLAY按钮，菜单中类型为矢量、持续关闭、格式为YT、屏幕选择反相

时其背景色为白色，如果要打印波形时建议选择反相，这样可以节省墨量，菜单显示无限、界面方案可根据喜欢的颜色来选择；

④UTILITY设置，即设置打印方式，注：后USB口选为打印机，打印设置中的打

印钮设为打印图像，其它可根据情况自行设定；

⑤选择ACQUIRE按钮，其中获取方式为平均值、平均次数有4-256六种选择，建

议一般情况下使用32次，数值越大波形越稳定测量值越精确，但次数越大波

形达到稳定时间越长，需要等待几秒钟，Sinx/x开启、采样方式实时采样；

⑥选择CURSORS光标模式自动测量，选用此测量方式可直接读取寿命值，注：选

用自动测量时S/div扫描速度不能太快，尽量使用小的扫描速度；也可在光标模式里选用手动测量，手动测量菜单里类型选择时间、信源选使用的通道如CH2，通过调整光标CurA、CurB来调整取值范围，两条光标之间的部分就为所取寿命范围，左上角的△T即为寿命值。

⑦选好自动测量后点击MEASURE，选择菜单第一项CH2，在子菜单中选择时间测

量，此时基本设置已完成，调好波形后衰退时间直接在所选的时间测量菜单里显示。

5.3.3.调节波形：通过旋转水平V olt/div及垂直S/div旋钮来调节波形的大小，其中V olt/div分为粗调和细调，当需要微调时按一下旋钮则变为细调状态，恢复粗调再按一下即可，当信号波形闪烁不稳定时可调LEVEL（同步）来改善波形，按下同步旋钮屏幕最左边的2→（CH2信号）将和T→（LEVEL标志）重合，此时旋转LEVEL使其T →白线位于波形范围内；

5.3.4.注：调整波形时请不要将波形放的过大，使完整波形在屏幕可显示范围内，如图所示，并使波形尽量靠左显示；下图界面为自动测量，其衰退时间1.56μS和262.0μS即为所测到的寿命值；

5.3.5.连接打印机：USB数据线方形口一端连在示波器后面的USB Device接口，另一端连在打印机左前方的PictBridge接口处，如连接成功示波器将提示已准备好，此时关闭示波器重新启动使其生效，打印机设置成功后，在以后的测量完成后直接点击PRINT按钮即可打印波形及寿命值，注：打印设置好并开启打印机后，如再重新设置示波器里的打印设置项，则需重新启动打印机及示波器，方使其生效。如上图所示，在此测量界面可打印出衰减波形及衰退时间。

5.4.寿命测量

5.4.1.数字示波器发运前已选好有关设置，只要设置好的条件没有改变，测量单晶寿命非常方便。

一般都使用自动测量，少数时候可以用手动，单晶放在样品电极台上（记得加自来水），只要CH2、CURSORS、MEASURE、RUN/STOP亮绿灯、垂直放大、水平扫描和同步旋钮调在合适位置。显示屏右上角“衰退时间”下面的数字即为寿命值，测量同一批产品，几乎无需调节。

我们选择的寿命值是取在光电导电压V0，从40%衰减到1/e，即14.7%之间的时间段。

只要按衰退时间键，屏幕上的两条垂直亮线即形象地表达出寿命读数是取波形上的那一部分。

5.4.2.数字示波器可以取信号的叠加平均值，显著降低噪声，提升波形的质量，平均次数愈多波形和读数愈稳定，但只要波形稳定，为了提高测量速度一般选在32次即可。按功能键“采样ACQUIRE”即可选获取方式为平均，同时选择平均次数、按测量键（MEASURE）采集灯自动熄灭。

5.4.3.使用数字式寿命仪我们会发现，影响寿命测量值的诸多因素：样品表面状态、波长、光强、采集次数、波形在屏幕上的左右位置、衰退曲线的读数部位都会对寿命值有影响，因此在验收产品时供需双方要互相沟通，模索出较好的测量条件，以便达成共识。

LT-1C寿命仪在测量条件方面，给用户留下较多的选择空间，也欢迎用户在使用中提出宝贵建议。

6.寿命测量准确度的校核方法

研磨表面下的寿命测量有如下特点：

研磨面表面复合速度甚大，达到107cm/s，载流子表面复合达到饱和速度，如果选取寿命值τB很高τB≥500μｓ的硅单晶，切取不同厚度的箔片，此时样片的表观寿命可以通过（5）式计算出来，在τB很大，τS很小时：

1/τ F =1/τ B + 1/τS≈1/τS （6）

因此

τ F ≈τS = L2/π2D + L/2S

这里，D=少数载流子扩散系数，以cm2/s做单位

L=片厚，用cm做单位，S=表面复合速度，单位是cm/s。在研磨面表面复合速度S≈107cm/s的情况下，而样品厚度又很小时，L/2S 项可以被忽略，因此

τF≈τS≈L2/π2D （7）

在N型样片两面均为研磨面的情况下，并假设τB＝∞时，不同厚度的样片理论计算出的表现寿命值如下表：

计算中少子（空穴）扩散系数选用D=12.4cm2/S。体寿命τB视为无穷大，实际上硅单晶寿命不可能无穷大，因此实测值经常低于理论值。如已知单晶的体寿命，τ

F 理论值可通过（6）式修正，修正值将与实测τF值更接近。

如果我们建立一套从理论上可计算出的表观寿命样片就可以检测仪器测量的准确度和重复性，因此也有人称这种样片为校核片或标准片。

7.仪器结构及维修

7.1.整机结构

打开上盖后，面对仪器底板，铝合金机箱内左边是脉冲电流源及相应的稳压电源；右边是放大器及相应的稳压电源；中间的前部份安装了可以承重的不锈钢托架，放置单晶测试台；中间的后部安放了高频源及检波盒；机箱底板的后边左右角上分别安装了电源变压器及供高频源用的稳压电源。仪器机箱上盖上方安装有立柱，低阻单晶测试台以及光源电极台，只有卸掉这些部件才能打开上盖。

7.2.拆卸维修

所有的拆卸都必须在拔掉～220V电源插头，并卸掉单晶测试台、立柱及立柱座，然后拆掉上盖后才能进行。

高频源：打开贴有高频源标签的上盖（卸下6粒M3沉头十字螺丝），在屏蔽隔内

有4粒靠边的螺丝，卸掉它们即可提起高频源，拧掉右下角的大高频插头和检波盒上

的两个小高频插头即可将高频源从整机内取出。

放大器：首先卸掉所有的连接插头，再拧下安装数字表稳压源的两个不锈钢角架

上的4粒螺丝，即可将数字表稳压源连着角架一起提出。再卸掉4个长螺丝捍即可取

出下层的放大器。

脉冲光源：拆卸方法与放大器相同。

用户在仪器使用中出现问题，可作以下简单维修：

电源开关开后指示灯不亮并且变压器原边没有～220V输入，请检查背板上的保险

管（1A）是否熔断。

高源频无30MHz输出，请检查高频源稳压源上的保险管（1.25A）。

示波屏上信号曲线变得太粗，以至无法读数，请旋转高频源上的3个半可调电容（请用高频无感螺丝刀或尼龙螺丝刀）。

通过简便维修无法解决故障时，请将整机送中铁快运，发至本公司负责维修。

8.整机体积、重量、电源

主机外形尺寸：W470×D365×H155

总重量：16.5Kg

电源：～220V 50Hz 功耗＜50W

广州市昆德科技有限公司

附录

表一：N型硅切割片、研磨片表面复合寿命（τs）与晶片厚度（L）的关系

厚度：1.0～5.0mm

厚度：5.0～10.0mm

表二：P型硅切割片、研磨片表面复合寿命（τs）与晶片厚度（L）的关系

厚度：0.10～1.00mm 寿命单位：μs

备注：此表依据SEMI MF1535-0707表面复合寿命的近似关系式：

其中: D =少数载流子扩散系数,单位为cm2/s

L =片厚,单位为cm

S =表面复合速度,单位为cm2/s

P型单晶:少子(电子)扩散系数Dn=33.5cm2/s

N型单晶:少子(空穴)扩散系数Dp=12.4cm2/s

少子寿命的测量

表面复合对少子寿命测量影响的定量分析 我们测量硅单晶、铸造多晶以及单晶硅片、多晶硅片的少子寿命，都希望得到与真实体寿命b τ相接近的测量值（表观寿命），而不是一个受表面影响很大的表面复合寿命s τ。因为在寿命测量中只有b τ才能真正反映半导体材料的内在质量，而表面复合寿命只能反映样品的表面状态，是随表面状态变化而变化的变数。 通过仪器测量出的寿命值我们一般称为表观寿命，它与样品体寿命及表面复合寿命有如下关系，公式（1）由SEMI MF28-0707给出的计算公式τ0 =S F R τ--11（τ0或b τ表示体寿命）推演出来： S b F τττ111+= （1） 即仪器测量值F τ，它实际上是少子体寿命b τ和表面复合寿命s τ的并联值。 光注入到硅片表面的光生少子向体内扩散，一方面被体内的复合中心（如铁原子）复合，另一方面扩散到非光照面，被该表面的复合中心复合。 光生少子在体内平均存在的时间由体复合中心的多少而决定，这个时间就称为体寿命。如果表面很完美，则表面复合寿命趋于无穷大，那么表观寿命即等于体寿命。 但实际上的表面复合寿命与样品的厚度及表面复合速度有关。 由MF1535-0707中给出s l D l sp diff s 222+=+=πτττ （2）可知，其中： diff τ=D l 22 π——少子从光照区扩散到表面所需的时间 sp τ= 2l s ——少子扩散到表面后，被表面（复合中心、缺陷能级）复合所需要的时间 l ——样品厚度 D ——少子扩散系数，电子扩散系数Dn=33.5cm 2/s ，空穴扩散系数Dp=12.4 cm 2/s

S ——表面复合速度，单位cm/s 硅晶体的表面复合速度随着表面状况在很大范围内变化。如表1所示： 表1 据文献记载，硅抛光面在HF 酸中剥离氧化层后复合速度可低至0.25cm/s ，仔细制备的干氧热氧化表面复合速度可低至1.5-2.5cm/s ，但是要达到这样的表面状态往往不容易，也不稳定，除非表面被钝化液或氧化膜保护。一般良好的抛光面表面复合速度都会达到 104 cm/s ，最容易得到而且比较稳定的是研磨面，因为它的表面复合速度已达到饱和，就像饱和浓度的盐水那样，再加多少盐进去浓度依然不变。 现在很多光伏企业为了方便用切割片直接测量寿命，即切割后的硅片不经清洗、抛光、钝化等减少和稳定表面复合的工艺处理，直接放进寿命测试仪中测量，俗称裸测，这种测量简单、方便、易操作。 为了定量分析表面复合对测量值F τ的影响，我们以最常用厚度为180μm 的P 型硅片为例进行定量分析。因为切割面实质上也是一种研磨面，是金属丝带动浆料研磨的结果，一般切割、研磨面的表面复合速度为S=107cm/s ，但线切割的磨料较细，我们将其表面复合的影响估计的最轻，也应该是S ≥105cm/s 。因为良好的抛光面S ≈104cm/s,我们按照2007版的国际标准MF1535-0707、MF28-0707提供的公式：b τ= S F R τ--1 1 ，其中Rs 是表面复合速率，表面复合寿命S s R 1=τ， 由以上公式即可推演出常用公式：S b F τττ111+= 表面复合寿命s l D l sp diff s 222+=+=πτττ 我们以以下的计算结果来说明，当切割面的表面复合速度为S=105cm/s 时， l =180μm 厚的硅片当它的体寿命由0.1μS 上升到50μS （或更低、更高）时， 我们测出的表观寿命受表面影响的程度，以及真实体寿命b τ与实测值F τ相差多

高频光电导衰减法测量Si中少子寿命

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 _q」pip q 」/n

少数载流子寿命测试

第三章：少数载流子寿命测试 少数载流子寿命是半导体材料的一个重要参数，它在半导体发展之初就已经存在了。早在20世纪50年代，Shockley 和Hall等人就已经报道过有关少数载流子的复合理论[1-4]，之后虽然陆续有人研究半导体中少数载流子的寿命，但由于当时测试设备简陋，样品制备困难，尤其对于测试结果无法进行系统地分析。因此对于少数载流子寿命的研究并没有引起广泛关注。直到商业需求的增加，少数载流子寿命的测试才重新引起人们的注意。晶体生产厂家和IC集成电路公司纷纷采用载流子寿命测试来监控生产过程，如半导体硅单晶生产者用载流子寿命来表征直拉硅单晶的质量，并用于研究可能造成质量下降的缺陷。IC集成电路公司也用载流子寿命来表征工艺过程的洁净度，并用于研究造成器件性能下降的原因。此时就要求相应的测试设备是无破坏，无接触，无污染的，而且样品的制备不能十分复杂，由此推动了测试设备的发展。 然而对载流子寿命测试起重要推动作用的，是铁硼对形成和分解的发现[5,6]，起初这只是被当作一种有趣的现象，并没有被应用到半导体测试中来。直到Zoth 和Bergholz发现，在掺B半导体中，只要分别测试铁硼对分解前后的少子寿命，就可以知道样品中铁的浓度[7]。由于在现今的晶体生长工艺中，铁作为不锈钢的组成元素，是一种重要的金属沾污，对微电子器件和太阳能电池的危害很严重。通过少数载流子寿命测试，就可以得到半导体中铁沾污的浓度，这无疑是一次重大突破，也是半导体材料参数测试与器件性能表征的完美结合。之后载流子寿命测试设备迅速发展。 目前，少数载流子寿命作为半导体材料的一个重要参数，已作为表征器件性能，太阳能电池效率的重要参考依据。然而由于不同测试设备在光注入量，测试频率，温度等参数上存在差别，测试值往往相差很大，误差范围可能在100％，甚至以上，因此在寿命值的比较中要特别注意。 概括来说，少数载流子寿命的测试及应用经历了一个漫长的发展阶段，理论上，从简单的载流子复合机制到考虑测试结果的影响因素。应用上，从单纯地用少子寿命值作为半导体材料的一个参数，到把测试结果与半导体生产工艺结合起来考虑。测试设备上，从简陋，操作复杂到精密，操作简单，而且对样品无接触，

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％

少子寿命测量

高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命 预习报告： 一，什么是少子寿命？ 少子，即少数载流子。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。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。 二，如何测量少子寿命？ 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。本实验采用高频光电导衰减法测量Si 中少子寿命。 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 ?+?=?μμσ当去掉光照，少子密度将按指数衰减，即τ t e p -∝?，因此导致电导率为τ σt e - ∝?。 高频源提供的高频电流流经被测样品，当红外光源的脉冲光照射样品时，单晶体内产生的非平衡光生载流子使样品产生附加光电导，从而导致样品电阻减小。由于高频源为恒压输出，因此流经样品的高频电流幅值增加?I ，光照消失后，?I 逐渐衰减，其衰减速度取决于光生载流子在晶体内存在的平均时间，即寿命。在小注入条件下，当光照区复合为主要因素时，?I 将按指数规律衰减，此时取样器上产生的电压变化?V 也按同样的规律变化，即 τt e V V - ?=?0 图2指数衰减曲线 一， Si. t

?V~t 曲线: （一） （二） （三） 计算少子寿命： 电压满足τ t e V V -?=?0，在测量数据中，由于时间原点的不同选择，t 的绝对值不同， 但是相对值相同。任选两个点（t 1,?V 1）,（t 2,?V 2），有?V 1=?V 0e ? t 1+?t τ ，?V 2=?V 0e ? t 2+?t τ ，

少子寿命测试的讨论_02概要

施美乐博公司上海代表处 上海浦东新区商城路738号胜康廖氏大厦906A (邮编:200120 Rm.906A,Suncome Liauw's Plaza, No.738, Shangcheng Road, Pudong,Shanghai 200120, China Tel: +86-21-58362889 Fax: +86-21-58362887 To : Semilab 产品用户 FROM : 黄黎 / Semilab Shanghai Office Pages : 5 Pages (included this page Refer : 1、Semilab 公司上海办事处联系方法 2、关于少子寿命测试若干问题的讨论 尊敬的Semilab 产品用户: 感谢您和贵公司一直以来对我们的支持! 为了更好地服务于中国客户,Semilab 公司现已在上海成立办事处。 具体的联系方法为: 施美乐博公司上海办事处 上海浦东新区商城路738号胜康廖氏大厦906A (邮编:200120 Tel: +86-21-58362889 Fax: +86-21-58362887 联系人:黄黎先生

手机: +86-138******** (Shanghai +86-135******** (Beijing E-mail: leon.huang@https://www.wendangku.net/doc/ac15353325.html, Website: https://www.wendangku.net/doc/ac15353325.html, 现提供关于少子寿命测试若干问题的讨论,供您参考,并烦请填写客户意见反馈表,传真给我们,以便我们改进工作,谢谢!如您还有任何问题或需要,请随时与我们联系。 此致 敬礼! 施美乐博公司上海办事处 2006年4月7日 施美乐博公司上海代表处 上海浦东新区商城路738号胜康廖氏大厦906A (邮编:200120 Rm.906A,Suncome Liauw's Plaza, No.738, Shangcheng Road, Pudong,Shanghai 200120, China Tel: +86-21-58362889 Fax: +86-21-58362887 关于少子寿命测试若干问题的讨论 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、Semilab μ-PCD 微波光电导少子寿命的原理

少子寿命测试判断是否有外延

Abruptness of a-Si:H/c-Si interface revealed by carrier lifetime measurements Stefaan De Wolf and Michio Kondo Citation: Appl. Phys. Lett. 90, 042111 (2007); doi: 10.1063/1.2432297 View online: https://www.wendangku.net/doc/ac15353325.html,/10.1063/1.2432297 View Table of Contents: https://www.wendangku.net/doc/ac15353325.html,/resource/1/APPLAB/v90/i4 Published by the AIP Publishing LLC. Additional information on Appl. Phys. Lett. Journal Homepage: https://www.wendangku.net/doc/ac15353325.html,/ Journal Information: https://www.wendangku.net/doc/ac15353325.html,/about/about_the_journal Top downloads: https://www.wendangku.net/doc/ac15353325.html,/features/most_downloaded Information for Authors: https://www.wendangku.net/doc/ac15353325.html,/authors

Abruptness of a-Si:H/c-Si interface revealed by carrier lifetime measurements Stefaan De Wolf a?and Michio Kondo National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(AIST),Central2,1-1-1Umezono, Tsukuba,Ibaraki305-8568,Japan ?Received27September2006;accepted15December2006;published online26January2007? Intrinsic hydrogenated amorphous silicon?lms can yield outstanding electronic surface passivation of crystalline silicon wafers.In this letter the authors con?rm that this is strongly determined by the abruptness of the interface.For completely amorphous?lms the passivation quality improves by annealing at temperatures up to260°C,most likely by?lm relaxation.This is different when an epitaxial layer has been grown at the interface during?lm deposition.Annealing is in such a case detrimental for the passivation.Consequently,the authors argue that annealing followed by carrier lifetime measurements allows determining whether the interface is abrupt.?2007American Institute of Physics.?DOI:10.1063/1.2432297? Hydrogenated amorphous silicon?a-Si:H??lms depos-ited on crystalline silicon?c-Si?surfaces have increasingly attracted attention over the past20years.Initially,it was discovered that abrupt electronic heterojunctions can be cre-ated with such structures.1Soon afterwards applications fol-lowed,including bipolar transistors,2imaging devices,3and solar cells.4For the latter it was recognized that the output parameters bene?t substantially from inserting a few nano-meter thin intrinsic a-Si:H?i??lm between the doped amor-phous emitter and c-Si substrate.For solar cells that feature a similar heterostructure back surface?eld,impressive energy conversion ef?ciencies exceeding21%have been reported.5 The role of the a-Si:H?i?buffer layer has been discussed in literature?see,e.g.,Refs.6–12?:It is known that such?lms can yield outstanding surface passivation for c-Si surfaces,13 but also that growth of an epitaxial interface during a-Si:H?i?deposition is detrimental for heterojunction device performance.12For hot wire chemical vapor deposited ?CVD?a-Si:H,where no ion bombardment takes place, abrupt interfaces have been obtained either by limiting the deposition temperature T depo?Ref.14?or by terminating the c-Si surface with a SiN x monolayer prior to a-Si:H deposition.15The abruptness of the interface,i.e.,whether instant a-Si:H deposition on c-Si occurred without initial epitaxial growth,was in these studies determined either by transmission electron microscopy?TEM??Refs.12,14,and 15?or by?in situ?spectroscopic ellipsometry?SE?,16for which mirror polished surfaces are desirable.To gain know- ledge about the electronic surface passivation properties of these interfaces,the most straightforward technique is by measuring the effective carrier lifetime?eff of the samples. Such measurements are known to be extremely sensitive, allowing for detection of bulk defect densities as low as 109–1011cm?3in a simple,contactless technique at room temperature.17 In this letter,we show that by low temperature?up to 260°C?postdeposition annealing,the surface passivation quality of direct plasma enhanced?PE?CVD a-Si:H?i??lms improves when the a-Si:H/c-Si interface is abrupt.This contrasts with the case when an epitaxial?lm has been grown at the interface,where the surface passivation quality is seen to degrade signi?cantly by a similar annealing treat-ment.Consequently,we argue that annealing followed by carrier lifetime measurements allows accurate determination of the onset of epitaxial growth in an easy-to-use way which is not restricted to polished c-Si surfaces. For the experiments,300?m thick relatively low resistivity??3.0?cm?boron-doped?oat zone?100??FZ?-Si?p?wafers have been used.Both surfaces of the sub-strates were mirror polished to eliminate the in?uence of substrate surface roughness on the passivation properties18 and to allow for SE measurements.For predeposition surface cleaning,the samples were?rst immersed in a ?H2SO4:H2O2??4:1?solution for10min to grow a chemical oxide,which was followed by a rinse in de-ionized water. The oxide was then stripped off in a dilute HF solution?5%?for30s.After this the samples were immediately transferred to the load lock of the deposition system.For?lm deposi-tion,a parallel plate direct PECVD reactor operated at radio frequency?rf??13.56MHz?power was used,in which the samples were mounted at the top electrode.The electrode distance and diameter were respectively20and230mm.An undiluted SiH4?ow of20SCCM?SCCM denotes cubic cen-timeter per minute at STP?was used and the chamber was maintained at low pressure?0.5Torr?.The value for T depo was varied from105to255°C.The rf power absorbed by the plasma was5W.This is the minimal power required to maintain a stable plasma at the given deposition conditions. To evaluate the surface passivation quality,identical?lms of about50nm thick were deposited on both wafer surfaces. After deposition,the samples were consecutively annealed in a vacuum furnace?30min,with annealing temperatures T ann ranging from120to260°C?.In between the annealing steps,the value for?eff of the samples was measured with a Sinton Consulting WCT-100quasi-steady-state photocon-ductance system,19operated in the so-called generalized mode.Since high quality FZ-Si wafers have been used throughout the experiments,the contribution of the bulk to the total recombination expressed by?eff can be neglected.In such a case,the effective surface recombination velocity S eff, which value can be regarded as a direct measure for the passivation quality of the?lms present at the surfaces,may a?Electronic mail:stefaan.dewolf@aist.go.jp APPLIED PHYSICS LETTERS90,042111?2007? 0003-6951/2007/90?4?/042111/3/$23.00?2007American Institute of Physics 90,042111-1

实验一 光电导衰退测量少数载流子的寿命

实验一光电导衰退测量少数载流子的寿命 一、实验目的 1.理解非平衡载流子的注入和复合过程； 2.了解非平衡载流子寿命的测量方法； 3.学会光电导衰退测量少子寿命的实验方法。 二、实验原理 半导体中少数载流子的寿命对双极型器件的电流增益、正向压降和开关速度等起着决定性作用。半导体太阳能电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率也和载流子的寿命有关。因此，半导体中少数载流子寿命的测量一直受到广泛的重视。 处于热平衡状态的半导体，在一定的温度下，载流子浓度是一定的，但这种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，其载流子浓度也不再是 n0 和 p0，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，有时也称为过剩载流子。要破坏半导体的平衡态，对它施加的外部作用可以是光，也可以是电或是其它的能量传递方式。常用到的方式是电注入，最典型的例子就是 PN 结。用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法，称为非平衡载流子的光注入，光注入时，非平衡载流子浓度Δn=Δp。 当外部的光注入撤除以后，注入的非平衡载流子并不能一直存在下去，它们要逐渐消失，也是原来激发到导带的电子又回到价带，电了和空穴又成对的消失了。最后，载流子浓度恢复到平衡时的值，半导体又回到平衡态，过剩载流子逐渐消失，这一过程称为非平衡载流子的复合。实验表明，光照停止后，Δp 随时间按指数规律减少。这说明非平衡载流子不是立刻全部消失，而是有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时间，有的长些，有的短些。非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，用t 表示。由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的影响处于主导的、决定的地位，因而非平衡载流子的寿命通常称为少数载流子寿命。显然 1/t 就表示单位时间内非平衡载流子的复合概率。通常把单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数称为非平衡载流子的复合率。很明显，Δp/t 就代表复合率。 以光子能量略大于半导体禁带宽度的光照射样品，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，那么非平衡电子和空穴浓度相等，他们的寿命也就相同。如果所采用的光在半导体中的吸收系数比较小，而且非平衡载流子在样品表面复合掉的部分可以忽略，那么光激发的非平衡载流子在样品内可以看成是均匀分布。假定一束光在一块n型半导体内部均匀的产生非平衡载流子Δn和Δp。在t=0时刻，光照突然停止，Δp 随时间而变化，单位时间内非平衡载流子浓度的减少应为-dΔp(t)/dt，它由复合引起，因此应当等于非平衡载流子的复合率，即

少子寿命

在硅的各种加工过程中，硅表面上通常都有离子吸附，它们引起半导体内的表面势垒产生耗尽层或反型层。光照在半导体表面时，能量稍大于半导体禁带宽度的光子，将会把价带中的电子激发到导带，从而形成电子空穴对，并向低密度区扩散。由于表面上存在着耗尽区，其电场将电子-空穴分离，产生表面光电压（SPV ）。 理论计算 α-=++1 Φ1()(1)eff P A S V L L （1） 其中对于耗尽层 A =qn 0/KT exp(qV /KT ) 对于反型层 A =qu i 2/KTn O 在小注入条件下寿命值τ与扩散长度L 的关系，即：L = 2 L D τ=，扩散系数D 为已知常数，因此通过扩散长度测量可以立即计算出寿命值。 用SPV 测量扩散长度的方法： （1）恒定表面光电压法，其特点是测量过程中单色光的波长度变化时，表面

光电压恒定不变，可对电阻率为0.1~6Ω·cm 、少子寿命短到20ns 的硅单晶进行测量。一般认为表面光电压(ΔV)是非平衡载流子浓度的函数。根据光照强度Φ与表面光电压△V 的函数关系： )11()(L M V F α+ ?=Φ /(1)S D L M B R +=- （2） 其中，对于给定的样品，M 是一个常数，对于F （△V ）在测量过程中，即在改变 光源波长时（吸收系数α随之而和），调节光强Φ，使表面光电压△V 保持不变，于是F （△V ）在测量过程中也保持为常数，在数次改变波长（即改变α-1）后， 得到相应的Φ值，即有一组：α-11，Φ1；α-12，Φ2；……α-1n ，Φn 数据，以Φ 为纵标，α-1为横座标，联成一直线，并将直线延长到Φ=0得： 1)L αΦ=0=(1+ （3） 该直线的截距即为要测的扩散长度（样品（或处延层） 的厚度必须大于4倍扩散长度，如果小于扩散长度的一半，则测得的不是在外延层中的扩散长度，而是衬底中的扩散长度）， 如图所示： （2）恒定光通量法 即Φeff 是恒定的。根据（1）式 )11)((1 -++=?ΦαL L D S A V eff 扩散长度L 可以Φeff/△V 对α-1的直线图确定 (3）

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： ()τ t 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

2.高频光电导衰减法测量硅单晶少子寿命

实验2 高频光电导衰退法测量硅单晶少子寿命 1． 实验目的 掌握一种测量硅单晶少子寿命的方法。 2． 实验内容 用高频光电导衰退法测量硅单晶棒或单晶片的少子寿命。 3． 实验原理 3.1 直流光电导衰退法 直流光电导衰退法是根据恒定电流作用下半导体样品的光电导随时间衰减的特性来测量少子寿命的。其测试简图见图1 。图中，R 是被测半导体样品的体电阻，E 是直流电源，R C 是测试回路的限流电阻，且选择R R C >>，故可近似认为流过样品的电流I 恒定不变。这样，用示波器记录光照停止后R 两端电压随时间的变化就等同于记录R 随时间的变化，实际上也就是记录半导体中非平衡载流子浓度随时间的衰减的曲线，由此衰减曲线就可以得到单晶材料的少子寿命。 以N 型半导体为例，设样品暗电导率为0σ，光照下的电导率为σ，那么 ()100n q n μσ= ()20σ σσ?+= 式（2）中，σ?为附加光电导率。假设光注入下非平衡载流子浓度为p n ??,，若无明显的陷阱效应，近似有p n ?=?，所以附加光电导（σ?）与非平衡少数载流子浓度（p ?）之间有如下关系 () ()3p n pq μμσ+?=? 在小注入条件下，近似有0σσ≈，故光照条件下电阻率的改变量为 ()4112 0σσσρ?-≈-=?

相应电阻的改变量近似为 ()520 σσ ρs l s l R ?-=?= ? 式中s l ,分别为样品的长度和截面积。将式（1）、（3）代入式（5），得到 ()60 0R n p R n p n ?+??-=?μμμ 式中，n q n R μ00=，它是无光照条件下半导体样品的体电阻。于是，样品体电阻（R ）两端电压的改变量为 ()()7000V n p IR n p R I V n p n n p n μμμμμμ+?-=+?-=?=? 把式（7）换一种写法，可以得到光照前后样品两端电压的相对变化与样品中少数载流 子浓度之间的关系 ()80n p n n p V V μμμ+?-=? 式中V 为无光照时直流电流I 在样品上产生的电压降。 由式（8）可以看出，光照后被测样品上电压的相对变化()V V ?与非平衡载流子浓度()p ?成正比，同时也与光注入的注入比()0n p ?成正比。由半导体物理可知，在光照停止以后，半导体中由外部光照产生的非平衡少数载流子，遵循指数衰减规律而复合消失，即 ()90τ t e p p -?=? 式中0p ?为光照停止瞬间少数载流子的浓度， t 为时间，τ为少子寿命。因为p ?在光照停止后是随时间减少的，所以V ?也是随时间减少的。由此可见，当脉冲光照射样品时，从示 波器上观察的电压随时间变化曲线所反应的是，两次脉冲光照间隙光生非平衡载流子衰减的曲线，只要测出该曲线的衰减常数就可以由式（9）得到非平衡少数载流子的寿命τ。 3.2 高频光电导衰退法 高频光电导衰退法测少子寿命的示意图见图2。它主要由光学和电学这两部分组成。光学部分主要是脉冲光源系统。充电到数千伏的电容器经脉冲电源触发放电，为氙气灯提供电源，使其给出余辉时间小于s μ10的光脉冲（1次/秒），再经过光栏、聚光镜、滤光片投射于被测样品表面。这种光源光强度大，频谱丰富，能为硅、锗提供能量高于吸收边的有效激发光（硅的本征吸收边波长为m μ1.1），在样品厚度范围内产生分布均匀的非平衡载流子。但是由于短波强吸收光只在样品表面产生非平衡载流子，并在表面处复合掉，故高阻、中阻单晶要用硅或锗滤光片滤去强吸收短波光，以减小表面效应。对于s μτ10<的样品采

实验二 光电导衰退测量少数载流子的寿命

实验二光电导衰退测量少数载流子的寿命 实验项目性质：综合实验 所涉及课程：半导体物理、半导体材料 计划学时：2学时 一、实验目的 1．理解非平衡载流子的注入与复合过程； 2．了解非平衡载流子寿命的测量方法； 2．学会光电导衰退测量少子寿命的实验方法。 二、实验原理 半导体中少数载流子的寿命对双极型器件的电流增益、正向压降和开关速度等起着决定性作用。半导体太阳能电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率也和载流子的寿命有关。因此，半导体中少数载流子寿命的测量一直受到广泛的重视。 处于热平衡状态的半导体，在一定的温度下，载流子浓度是一定的，但这种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，其载流子浓度也不再是n0和p0，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，有时也称为过剩载流子。要破坏半导体的平衡态，对它施加的外部作用可以是光，也可以是电或是其它的能量传递方式。常用到的方式是电注入，最典型的例子就是PN结。用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法，称为非平衡载流子的光注入，光注入时，非平衡载流子浓度Δn=Δp。 当外部的光注入撤除以后，注入的非平衡载流子并不能一直存在下去，它们要逐渐消失，也是原来激发到导带的电子又回到价带，电了和空穴又成对的消失了。最后，载流子浓度恢复到平衡时的值，半导体又回到平衡态，过剩载流子逐渐消失，这一过程称为非平衡载流子的复合。实验表明，光照停止后，Δp随时间按指数规律减少。这说明非平衡载流子不是立刻全部消失，而是有一个过程，

高频光电导法测少子寿命

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。