少子寿命是少数载流子的平均生存时间，本实验的目的是使学生更深入地理解高频光电导衰减法测少子寿命的原理，并掌握测试方法。

一、实验原理

１、高频光电导法的测试原理

（l）装置

高频光电导测试装置如图１所示。它主要由光学和电学两大部分组成。

 

                      （b）                        （c）

（ａ）装置总框图，1一滤光片，2一透镜，３一光栏

（ｂ）氙灯光源框图

（c）高频光电导取信号回路等效电路

图1、高频光导测量装置简图

 

光学系统主要是脉冲光源系统。充电到几千伏的电容器，用脉冲触发，．通过氙气灯放电，给出余辉时间小于10ps的光脉冲（1次／ｓ）。经光栏、聚光镜、滤波片发射于样品。这种光源，光强强频谱丰富，能为硅、锗提供本征吸收边附近的有效激发光（硅是1．1ps，锗是1．7ps）在样品厚度范围内产生分布均匀的非平衡载流子。但其中短波强吸收光只在前表面处产生非平衡载流子。而它们会在表面复合掉。故高、中阻样品要用硅或锗滤光片滤去短波强吸收光，以减小表面效应。光源光强由氙灯直流高压、光栏和滤光片（厚0．5～2 mm）联合调节，并能在很宽范围内改变，以适应不同阻值的小信号测试要求。

    对于t＜１０mｓ者用余辉时间小于lmｓ的红外脉冲光源（３次／ｓ及３０次／ｓ），其光强由发光管电压调节。

    电学系统主要有30ＭＨｚ的高频电源、宽频带前置放大厦，以及显示测试信号的脉冲示波器等。测量要求高频源内阻小且恒压，放大系统灵敏空高、线性好，且示波器要有一标准的时间基线。

（2）取样显示

30ＭＨｚ的高频源送出等幅的３０ＭＨｚ正弦波，经耦合电极耦合至单晶样品，在其中产生同频率的高频电流　

  式中I０为无光照时样品中高频电流的幅值；w为频率。此高频电流由另一同样的电极耦合到检测电路的取样电阻R２支路中。

    当脉冲光以小注人条件照射样品时，产生了非平衡载流子，使电导率增加，因高频源为恒压输出，故样品中高频电流的幅值增加DＩ， 以致光照时样品中的高频电流是

                  i＝（I。＋DＩ）sinwt

    光照间隙，样品中非平衡载流子因复合按指数规律衰减，高频电流幅值及在R２上的取样信号v的幅值亦按同样规律衰退，即

                i＝［IO＋DIexp（-t/tf）］sinwt

                v＝[VO＋DVexp（-t/tf）] sinwt

式中VO为无光照时R２上的的等幅高频电压幅值; DV为光照后R２上电压幅值的增量。可见光电导衰减信号对高频信号调幅，故经二极管Ｄ检波、宽频带放大器放大后，在脉冲示波上显示出光电导指数衰减曲线。显然，测其衰减常数，就可得到样品的有效少子寿命tf。

有一圆柱型样品,采用圆柱坐标系,假定电场漂移影响可以忽略,非平衡载流子Δp的瞬态连续性方程为

当光照后产生的非平衡载流子均匀分布,上式简化为:

解此方程,并代入边界条件,即得到主面圆柱形样品的少子寿命t满足的关系式为

3、测试条件分析

（1）    表面复合及高次模影响的抑制

在前表面产生的光生载流子，因表面复合而加快消失，光生载流子中各高次模也有高于基模的大衰减率，故需将整个信号幅度的前1/3部分弃除。

对于高阻样品，需加滤光片以滤除表面吸收大的光波，抑制表面复合的影响，也利于实现小信号条件。

（2）    陷阱效应

样品中的陷阱中心会俘获非平衡载流子，且要在大于tf时间后才释放出来，再复合衰减掉，故衰减曲线有一条脱长的尾巴，使寿命测量偏大。

样品加底光照，或加热到50-700C，让光或热激发的载流子添满陷阱，使陷阱在测试中失去俘获非平衡载流子的能力而消除其影响。若采取标准曲线法，可回避陷阱效应的影响，又可绕过表面复合及高次模的问题。

二、实验内容

1、测量不同尺寸的Si单晶样品的少子寿命；

2、改变光强，加或不加滤光片以及偶合电极涂水或不涂水等，进行上述测量，仔细观察，详细记录。

三、实验步骤

l．用测量电缆将仪器“测量”插座与示波器“Y”输入相连，“触发”插座与示波器“X”输入相连。 

2． 把被测样品单晶放在样品架电极中心位置，旋转手柄将单晶放在电极片与样品间，涂适量的水增加耦合，使曲线稳定。

3． 按进“电源”开关，调节“调谐”旋扭及示波器，使指数曲线稳定。

4． 调节示波器“Y”轴增益旋钮，使指数曲线增幅为5格，把示波器“扫描时间”旋钮置适当位置。

5． 读出此线幅度由2．7格衰减到1格所需时间，即为少子有效寿命．

6． 用尺子测量圆柱单晶的直径D和长度L。

四、实验结果分析、回答思考题

例:样品1：  tf =2ms      L=1cm    D=2cm

样品2：  tf =0.9ms    L=1cm    D=3cm

按以上公式可计算得到:

样品1:   t =2800μs

样品2:   t =1200μs

1．依样品尺寸算出少子体寿命。

2．对实验结果和误差问题进行讨论。

五、思 考 题

    1．表面复合和高次模均造成信号起始部分快衰减那么滤光片能对那种因素产生影响？为什么？

    2．30MHz高频信号在测量中的作用是什么？在这里是否还存在边界条件产生的各高次模？它们与30MHz高频信号间的关系怎样？请图示说明t

    3．以直流光电导之ΔR关系直接代人高频电导的分析中，是否引进误差?为什么？

 六、参 考 资 料

 ［1］ 中国科学院半导体研究所理化分析中心，半导体检测与分析，科学出版社,P．448，1984．

 ［2］孙以材，半导体测试技术，冶金工业出版社，P．29，1984．