Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
1.6. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ И ДИФФУЗИОННОЙ ДЛИНЫ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДАКоэффициент поглощения света В этом параграфе будут рассмотрены методы измерения эффективного времени жизни неосновных носителей заряда или их диффузионной длины Методы измерения времени жизни можно разделить на две группы. К первой относятся методы исследования образцов (часто имеющих достаточно большие размеры) с помощью измерений затухания фотопроводимости, поверхностной фото-ЭДС или затухания концентрации носителей в электрическом поле (метод Хайнса—Шокли). Вторая группа объединяет методы определения параметров готовых приборов. Если речь идет о приборах с Таблица 1.2. Методы измерения времени жизни и диффузионной длины носителей заряда (см. скан) в табл. 1.2. Опубликован обзор [Graff, Ficher, 1979] методов измерений времени жизни носителей заряда в кремниевых солнечных элементах. 1.6.1. Измерения методом Хайнса—Шокли при наличии электрического поляОдним из первых методов определения подвижности и времени жизни носителей был метод, предложенный Хайнсом и Шокли [Haynes, Shockley, 1951]. С помощью короткого импульса света с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны полупроводника, или импульса рентгеновского излучения в тонкий слой полупроводникового стержня инжектируют носители заряда (см. рис. 1.2). Под действием электрического поля «пакет» неосновных носителей перемещается вдоль образца, и соответствующий сигнал измеряют с помощью контактного зонда. Максимальное значение на кривой пространственного распределения носителей уменьшается вследствие их диффузии и рекомбинации, причем форму кривой можно описывать соотношением [Haynes, Shockley, 1951]
Здесь При использовании этого и некоторых других методов измерения 1.6.2. Затухание фотопроводимостиПри использовании этого метода весь образец подвергают воздействию короткого импульса слабо поглощаемого света, проникающего на большую глубину, стараясь обеспечить при этом максимальную степень однородности освещения. Концентрация избыточных носителей
где
В материале
Если к образцу приложено постоянное электрическое поле, то время жизни носителей определяется по графику зависимости фототока от времени. Поскольку А а обычно существенно меньше темновой удельной проводимости материалов, используемых в солнечных элементах, необходимы световые импульсы большой интенсивности, и, кроме того, могут потребоваться измерения при переменном электрическом поле. Данный метод позволяет определять значения В обоих рассмотренных методах время затухания светового импульса должно быть существенно меньше измеряемого времени жизни носителей.
Рис. 1.9. Изменение зависимости удельной фотопроводимости А а от времени t под влиянием процессов захвата и поверхностной рекомбинации носителей при сильном поглощении света: В качестве источников излучения применяют газоразрядные ксеноновые импульсные лампы, устройства, снабженные вращающимися зеркалами, и импульсные генераторы рентгеновского излучения. При возбуждении избыточных носителей синусоидально модулированным (например, с помощью ячейки Керра) лазерным излучением с частотой модуляции w между сигналом фотопроводимости и световым сигналом возникает фазовый сдвиг на угол в, причем Релаксацию фотопроводимости можно наблюдать непосредственно, применяя омические контакты, или косвенным путем по поглощению микроволнового излучения [Larrabee, 1960; Atwater, 1961], с помощью емкостных измерений [Weingarten, Rothberg, 1961], по поглощению света свободными носителями заряда [Harrick, 1956] или по фотолюминесценции [Vilms, Spicer, 1965]. Наличие ловушек для носителей заряда может оказывать существенное влияние на постоянную времени процесса затухания фотопроводимости, измеряемую с помощью данного и других методов, вследствие чего получаемое время жизни носителей оказывается намного больше реального значения. Измерения дают достоверные результаты при равенстве значений времени жизни электронов и дырок, что реализуется при межзонной рекомбинации или при кратковременном (по сравнению с временем жизни) захвате носителей ловушками, расположенными в середине запрещенной зоны. Если же продолжительность пребывания носителей на ловушечных уровнях превышает их время жизни, то измеряемая постоянная времени определяется главным образом временем, необходимым для опустошения ловушек. Процессы, связанные с захватом носителей, сложны для описания, поэтому желательно их исключить посредством выбора соответствующих экспериментальных условий. Влияние процессов захвата и поверхностной рекомбинации носителей заряда на фотопроводимость иллюстрирует рис. 1.9. Как правило, при высоких уровнях инжекции эффект захвата носителей проявляется слабо, поскольку концентрация свободных носителей превышает концентрацию ловушечных уровней, и в этих условиях возможно насыщение ловушек носителями заряда. Теоретический анализ влияния процесса захвата носителей заряда на фотопроводимость выполнен Ван Рузброком и Роузом [Van Roosbroeck, 1960; Rose, 1963]. 1.6.3. Поверхностная фото-ЭДСПри использовании этого метода поверхность массивного образца полупроводникового материала облучают сильно поглощающимся светом и установившийся поверхностный потенциал регистрируют с помощью прозрачного емкостного зонда при импульсном или модулированном освещении. Если
где R — коэффициент отражения света поверхностью, В готовых приборах с Аналогичный способ обработки экспериментальных данных применяется и при измерениях зависимости плотности фототока
Здесь А — постоянная, характеризующая эффективность собирания фотогенерированных носителей; Указанные методы применимы в тех случаях, когда значения L примерно равны глубине поглощения света а 1, поэтому в материалах с прямыми оптическими переходами могут быть измерены чрезвычайно малые значения времени жизни носителей. Особое преимущество этих методов состоит в том, что на результаты измерений не оказывают влияния поверхностная рекомбинация, захват ловушками основных носителей заряда и процесс захвата неосновных носителей умеренной интенсивности [Choo, Mazur, 1970]. Близкий по используемому физическому принципу метод определения диффузионной длины и скорости поверхностной рекомбинации носителей основан на измерении зависимости эффективной толщины поглощающего слоя от обратного напряжения смещения [Kim е. а., 1980]. 1.6.4. Фотоэлектромагнитный эффектДля измерений очень малых значений
где 1.6.5. Ток, возбуждаемый электронным и световым пучкамиВ этом методе избыточные носители заряда возбуждаются световым или электронным пучком в очень малом объеме на расстоянии
Рис. 1.10. Электрическая схема для измерения тока, наведенного электронным или световым пучком (в), и схема взаимного расположения образца и пучка, возбуждающего носители заряда (б): 1 - солнечный элемент; 2 - усилитель тока; 3 - сигнал; 4 - электронный или световой пучок; 5 — область генерации; 6 - плоскость Измеряемый ток короткого замыкания
где А - некоторая постоянная. При установлении стационарного режима фотогенерации эффект захвата носителей заряда практически не влияет
Рис. 1.11, Качественная зависимость наведенного тока от расстояния до перехода (в) и экспериментальная зависимость тока, наведенного электронным пучком в солнечном элементе на основе на измеряемые значения Теоретический анализ процесса возбуждения тока при наличии точечной или линейной области генерации носителей вблизи поверхности полупроводника с учетом влияния поверхностной рекомбинации выполнен Ван Рузброком [Van Roosbroeck, 1955]. Впоследствии была разработана более общая теория [Berz, Kuiken, 1976], применимая и для случая генерации носителей заряда электронным пучком (например, пучком, формируемым в растровом электронном микроскопе). Содержательный обзор (который может быть использован и как учебное пособие) по растровой электронной микроскопии представлен в [Leamy е. а., 1979]. Образующаяся при воздействии пучка электронов область генерации имеет форму капли, при этом функцию распределения концентрации избыточных носителей можно представить в виде [Hackett, 1972]
где
где В — постоянная, значение которой определяется атомным номером полупроводника; зависеть от объема области генерации. Для При наличии поверхностной рекомбинации эффективное значение диффузионной длины носителей
где К достоинствам метода наведения тока электронным пучком относятся: 1) возможность осуществления измерений в растровом электронном микроскопе в режиме линейного сканирования поверхности образца при одновременном формировании его изображения с помощью вторичных электронов; 2) возможность определения положения плоскости перехода по отношению к металлургической границе раздела; 3) удобство измерения распределения L на поверхности элемента, а также изучения влияния на L напряженности поля в области перехода и таких заметных дефектов, как границы зерен; 4) возможность измерения очень малых значений В одной из модификаций [Hackett, 1972] рассмотренного метода несколько более широкий пучок электронов (диаметром около 10 мкм) направляют на поверхность косого шлифа, которая отклонена от плоскости перехода на небольшой угол Ф. Поскольку значение
что позволяет определять L при отсутствии каких-либо данных о значениях Обсуждалась [Kamm, Bernt, 1978] возможность определения методом наведения тока электронным пучком каждого из таких параметров, как коэффициент диффузии, объемное время жизни и скорость поверхностной рекомбинации носителей, в образце, содержащем барьер Шоттки. Выполнен подробный теоретический анализ [Van Roos, 1978, 1979] данного метода с точки зрения его использования для исследования солнечных элементов и других приборов. 1.6.6. Затухание напряжения холостого ходаМетод затухания напряжения холостого хода связан с инжекцией избыточных неосновных носителей заряда в базовую область прибора с Упрощенное теоретическое обоснование [Davies, 1963] метода основано на предположении о том, что диффузией избыточных носителей можно пренебречь. Если область перехода находится в состоянии теплового равновесия, то концентрация неосновных носителей заряда на границе
Поскольку
Если толщина области, в которую инжектируются носители заряда, меньше диффузионной длины, т. е.
Время жизни носителей, найденное с помощью (1.38) и (1.39), можно представить в виде
В условиях высокого уровня инжекции
Если толщина области, содержащей инжектированные носители, больше До сих пор Таким образом, метод затухания напряжения холостого хода позволяет измерять некоторое усредненное значение постоянной времени системы (в состав которой входят я- и 1.6.7. Релаксация емкости структуры металл—диэлектрик—полупроводникОчень малое время жизни носителей, достигающее
Рис. 1.12. Схематическое изображение процесса релаксации емкости МДП-структуры при обратном напряжении смещения (а) и кривая релаксации емкости С с Течением времени При приложении к МДП-структуре обратного напряжения смещения в начальный момент обедненный спой расширяется. Уменьшение концентрации носителей в обедненном слое при воздействии постоянного напряжения по сравнению с ее равновесным значением, соответствующим нулевому напряжению смещения, стимулирует генерацию электронно-дырочных пар. Скорость генерации, определяемая с помощью соотношения Шокли—Рида, при В первом приближении для нейтрализации зарядов во всем объеме обедненного слоя потребовалось бы время t. Условие
Поскольку, как правило, диэлектрика получено Хейманом [Heiman, 1967]. Автором установлено, что при использовании сильно легированных полупроводников или толстых слоев диэлектрика кривую релаксации можно описать экспонентой (во всех других случаях кривая имеет более сложную форму). При большом времени жизни необходимо принимать во внимание потери носителей в инверсионном слое вследствие их захвата и поверхностной рекомбинации на границе раздела диэлектрик—полупроводник. Влияние рекомбинации на границе раздела можно исключить при проведении измерений по методу, предложенному в [Zerbst, 1966], и впоследствии усовершенствованному [Schroder, Nathanson, 1970; Schroder, Guldberg, 1971]. Модифицированный метод релаксации емкости [Baliga, Adler, 1978] позволяет измерять распределение времени жизни носителей по толщине диффузионного слоя. Еще один вариант данного метода, связанный с наблюдением процесса релаксации концентрации носителей [Viswanethan, Takino, 1978], можно использовать для раздельного определения их времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации.
|
1 |
Оглавление
|