1、PN型二极管中少数载流子寿命的测量,06300190005 曹海元指导教师：陆昉,研究目的,1.在半导体处于非平衡状态时（如外加电场），少数载流子从产生到复合所用的平均时间称为少数载流子的寿命2.少数载流子寿命是由半导体材料性质、掺杂情况及半导体中深能级缺陷所决定的参数，它对器件的特性起着重要作用（如太阳能电池的光电转化效率）,3. 通常的光学测量方法很难测量器件中的少数载流子寿命。使用反向恢复时间法测量半导体中少数载流子的寿命，就能够克服光学方法的难点，测量器件中的少子寿命。,原理,脉冲恢复法:将二极管和取样电阻串联接到信号发生器的两端，让信号发生器输出如图所示的脉冲信号，用示波器接在取样电
2、阻的两端测量电阻两端电压（电路中电流）随脉冲信号的变化情况。,实验电路图,G,电阻,示波器,t,v,o,实验中使用的脉冲信号,平衡态,空穴 (positive),P,N,电子(negative),当外加电压为零时，PN结处于平衡状态. PN结中有效电流为零。由载流子分布不同造成的扩散电流与PN结边界外累积电荷所形成的内建场产生的漂移电流抵消。,正向注入,p,N,+,_,扩散流,漂移流,内建电场,开始时先加上一个与内建电场方向相反的正向电压 ,由于它的作用使得PN结内部的势垒变窄.。因此扩散电流要大于漂移电流，从而使得少数载流子能够越过势垒. 由于复合效应，少数载流子的分布随着与PN结边界距离的
3、增加而减小。,(以空穴行为为例),反向抽取,P,N,负向偏压,漂移流,_,+,内建电场,在正向偏压之后，PN结两端又加上一个负向偏压, 它与内建电场的方向相同 , 因此在PN结边缘处的积累电荷会被抽取出来.当边缘处的电荷被抽取完之后，内部的载流子就会随着复合而消失。,(以空穴行为为例),在经历过正向偏压之后，少数载流子的分布为（x为到PN结边界的距离，LD为扩散长度）在抽取过程中,反向电流为当反向电压V kT/q, 此时抽取电流 J 近似等于J0. 在边界处累积电荷没有被抽取完之前，电路中近似存在一个恒定电流。当边界电荷被抽取完之后，内部电荷产生的复合电流呈指数衰减。,Ts,Tr,If,Ir,
4、实验结果,如果不考虑内部少数载流子的分布，只考虑边界处累积电荷的抽取，通过解连续性方程可以得到：,使用这个假定可以通过一次测量得到半导体中的少数载流子寿命，而且准确度也比较好，如果要想更加准确的得到半导体中少数载流子的寿命，必须考虑内部剩余电荷的影响，可以解得（b为常数）,实验结果,忽略内部载流子的分布，得到的实验结果：单位（ns）,去除过冲的结果,如果考虑剩余电荷造成的影响，可以把测得正向电流、反向电流与存储时间按照进行线性拟合，得到的斜率即为我们所求的少数载流子寿命。拟合结果：少子寿命为1033ns。,讨论,如何选取合适的实验条件?实验中共有四个可调参数，取样电阻、正向脉冲电压、负向脉冲电
5、压、脉冲频率。实验中，这些参数的选取必须受到一定的限制,(1) 正向电压要足够大（大于1.8V）使得正向载流子注入达到饱和；但是也不能太大，否则就不满足小注入条件。(2) 反向电压不能太大（二极管两端小于1.3V),否则会造成存储时间很短，影响测量精度。,(3) 脉冲时间要足够长（频率一般小于100kHz），否则正向注入或者反向抽取都不能达到饱和。(4)在实验过程中，取样电阻必须保持不变，否则会引起很大的偏差，这是由连续性方程决定的。而且取样电阻的选取必须保证二极管不会被击穿。,如何消除过冲?,使用同轴电缆进行测量即可消除过冲，而且增加了实验的可靠度。,课题的结果,初步探究了各种参数对于少子寿命测量结果的影响以及如何选取参数,对于设计性实验课程的体会,自由的选题，可以用一个学期时间来做自己想做的、有意思的课题，不必拘泥于时间的限制独立进行科研的能力，在没有标准答案的情况下思考问题综合能力的培养：自学未知的领域、查阅文献、整理实验结果、与学长及导师的交流和沟通、论文写作,对于未来的展望,希望能够有更多的选题希望可以和别的学科（比如光科、材料、生物、电子工程等）能够有交集，可以通过这个设计性物理实验的平台来拓宽物理系学生的视野、培养综合能力希望可以从大一开始就能够有机会参加一些比较简单的课题研究，尽早培养独立探究的能力及兴趣,Thankyou for attention,
