少子寿命介绍.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,少子寿命原理及应用,黎晓丰,1,1.,半导体简介,2.,非平衡载流子及少子寿命,3.,少子寿命影响因素,4.,少子寿命的测试方法简介,5.WT-2000,的运用,2,1.,半导体,(Semiconductor),硅,(Si),、锗,(Ge),、砷化镓,(GaAs),等,导电性介于导体和绝缘体之间,(10,-4,10,10,cm),电导率和导电型号对杂质和外界因素高度敏感,3,硅,(Silicon),金刚石结构，每个硅原子与四个硅原子相邻，形成正四面体结构,相邻原子之间共用电子对形成共价键,4,能带,(energy band),导带、价带、禁带宽度,载流子：电子,(,自由电子、,electron),、空穴,(hole),电子带负电,空穴带正电,电子,空穴,E,C,E,V,1.12 eV,5,掺杂,为得到一定的载流子浓度而掺入电活性的杂质。,通常,P,型掺杂掺,B,；,N,型掺杂掺,P,。,6,N,型,E,C,E,V,E,A,P,型,E,C,E,V,E,D,7,P,型掺杂,(III,族,),：,B,、,Al,、,Ga,、,In,N,型掺杂,(V,族,),：,P,、,As,、,Sb,均为浅能级杂质,常温下，非重掺，,P,型硅的空穴浓度等于,P,型掺杂剂浓度；,N,型硅的电子浓度等于,N,型掺杂剂浓度。,8,P,型硅的载流子绝大部分为空穴。空穴为多数载流子,(majority carrier),，简称多子；电子为少数载流子,(minority carrier),，简称少子。,N,型硅的载流子绝大部分为电子。电子为多子，空穴为少子。,9,3.,非平衡载流子,平衡状态下，电子空穴对的产生和复合率相等。电子和空穴浓度,n,、,p,不变。,E,C,E,V,产生,复合,10,受外界因素,(,光照、载流子注入等,),影响比平衡状态下多出来的载流子。,E,C,E,V,h,非平衡载流子浓度为,n,、,p,。,n,=,p,11,在光激发下，一开始载流子产生率,G,大于复合率,R,，导致载流子增加。到稳态时,G,=,R,，,此时载流子浓度趋于稳定。,电子和空穴浓度：,n,=,n,0,+,n,；,p,=,p,0,+,p,n,0,、,p,0,分别为平衡时电子和空穴的浓度。,12,当光激发撤销时，一开始产生率小于复合速率，导致,n,、,p,不断衰减，最后当恢复到平衡状态时,n,=,p,=0,；,G,=,R,。,在这过程中，净的复合率,U,=,R,G,此过程即称为非平衡载流子的复合,(recombination),过程。,13,若定义非平衡载流子单位时间的复合概率为,1/,，则,14,非平衡载流子呈指数衰减,为载流子的复合寿命,15,的物理意义：,非平衡载流子的平均生存时间。,越,大，载流子复合能力愈弱。衰减得越慢；,越,小，衰减得越快。,因为非平衡载流子对少子浓度影响极大，所以称为少子寿命,少子寿命一般指少子复合寿命。,影响少子寿命因素很多，影响机制极复杂。,16,少子寿命的作用,太阳能电池光电流是光激发产生非平衡载流子，并在,pn,结作用下流动产生的。,17,载流子的复合会使光电流减少。少子寿命越小光电流越小。,同时少子寿命减小，增加漏电流从如使开路电压减小。,总之，少子寿命越小，电池效率越低。,18,4.,少子寿命影响因素,影响少子寿命的因素很多：,杂质、电阻率、温度、表面状态、硅片厚度等。,实际测量得到的是体复合和表面复合共同作用的少子寿命,有用的是体复合得到的体少子寿命。,19,体复合机制,1.,本征复合,(,直接复合,),辐射复合：电子和空穴直接复合，辐射出光子。,Auger,复合：电子和空穴直接复合，激发另一电子和空穴。,20,在硅中低注入水平下并非主要复合过程,21,2.,间接复合：,通过复合中心复合。,复合中心为深能级杂质。,为硅中的主要复合形式。,22,SRH(Shockley-Read-Hall),模型,1.,电子的发射,2.,电子的俘获,3.,空穴的俘获,4.,空穴的发射,23,SRH,少子寿命公式,n,0,和,p,0,分别是电子和空穴的俘获时间常数。,n,1,和,p,1,分别为费米能级处于复合中心能级,E,t,时电子和空穴的浓度。,24,SRH,复合的讨论,1.,复合中心能级,E,t,越深少子寿命越小，所以深能级杂质对少子寿命影响极大，即使少量深能级杂质也能大大降低少子寿命。过渡金属杂质往往是深能级杂质，如,Fe,、,Cr,、,Mo,等杂质。,25,2.,电阻率的影响,随着电阻率的增大，少子寿命也不断增大。,3.,温度变化强烈影响少子寿命。但是影响规律十分复杂。一般为随温度上升少子寿命先降后升。,26,表面复合,前面几种只是涉及体复合，但是由于硅表面存在悬挂键形成表面复合中心。在表面也产生复合，从而使测试体少子寿命时产生偏差。,有用的是体少子寿命。,27,表面复合率,U,s,等于表面复合速率,S,乘以非平衡载流子浓度。,U,S,=,S,n,S,的单位为速度单位。,S,的大小取决于表面状态，对于裸片,S,约为,50000,cm,/s,。对于各种钝化方法,S,可小于,10cm/s,。,28,有效寿命,在多种独立的复合机制下的实际的寿命为有效少子寿命。即为测试得到的少子寿命值。,有效少子寿命总是低于任何复合机制的寿命。,29,影响有效少子寿命的因素,低注入水平下，中等掺杂，辐射寿命和,Auger,寿命远高于间接复合寿命。因此只有间接复合影响体少子寿命。,考虑到体复合和表面复合的共同作用，有如下关系,30,有效少子寿命与体少子寿命由于有表面复合产生偏差。,W,为,硅片厚度,D,n,为电子的扩散系数。因此硅片厚度和表面复合速率是影响有效寿命的重要因素。,31,体少子寿命越大，表面复合速率越大，偏差越大。,厚度越薄，偏差越大,32,当体少子寿命小于,1,s,，无论,S,多大，偏差小于,10,%,。,当表面状态一定时，体少子寿命降低，有效少子寿命也降低。,33,4.,少子寿命测试方法,1.,-PCD(Microwave Photoconductivity Decay),微波光电导衰减,WT-2000,2.QSSPC,3.SPV,34,红外脉冲激光源,(905nm),微波源和信号接收,(10,0.5 GHz),35,原理,脉冲激光激发非平衡载流子,微波探测器探测发射和反射的微波谱,36,低注入水平下，一定的频率下，发射和反射微波型号差正比于非平衡载流子浓度,n,。,37,选取不同的频率，信号差有时正有时负。,无论如何都和非平衡载流子浓度,n,成正比,38,信号呈指数衰减，即呈现出非平衡载流子衰减的规律。,通过拟合指数衰减信号得到少子寿命的值。,对样品表面连续点扫描可以得到少子寿命分布图。,39,选择合适的测试参数范围可以减少误差，一般,Autosetting,可自动选择测试参数,40,拟合点数,一般,1024,信号范围,时间范围,测试平均次数,时间起点,时间起点的信号值,微波频率,激光功率,41,前面一段数据由于高注入偏离指数衰减规律。,42,从,Time cursor,算起拟合指数拟合信号得到少子寿命,43,WT-2000,例子,坩埚的污染,44,UMG,的少子寿命分布,45,