6.3. Методы измерения времени жизни
К настоящему времени предложено несколько десятков методик измерения времени жизни и диффузионной длины. Выбор той или иной методики определяется необходимостью измерять именно те времена жизни, которые определяют работу соответствующих полупроводниковых приборов, например, для полупроводника п - типа время жизни неосновных носителей определяет коэффициент усиления по току транзисторов.
В большинстве случаев желательно измерять время жизни неосновных носителей заряда при малых уровнях инжекции. Этот параметр характеризуется наибольшей чувствительностью к примесям, дислокациям, дефектам и несовершенствам полупроводникового материала и, таким образом, наиболее полно характеризует электрофизические свойства материала и определяет возможность его технического применения.
Время жизни можно определить либо по затуханию избыточной проводимости со временем, либо из пространственного распределения избыточных носителей заряда. В первом случае определяется непосредственно время жизни (), а во втором - обычно длина диффузии неравновесных носителей заряда (L), которая связана с временем жизни следующим соотношением
, (6.5)
где D - коэффициент диффузии; - время жизни.
Измеряя диффузионную длину и зная коэффициент диффузии, вычисляют время жизни.
Желательно, чтобы при измерении не требовалось специальной подготовки образцов (нанесения специальных контактов, изготовления р-п - переходов и т.п.).
Все методы измерения времени жизни по способу генерации неравновесных носителей заряда можно разделить на стационарные и нестационарные. Стационарные методы характеризуются тем, что электронно-дырочные пары в исследуемом образце генерируются непрерывно. Нестационарные методы характеризуются тем, что электронно-дырочные пары генерируются импульсами.
Наиболее пригодными методами измерения времени жизни считаются следующие. Из стационарных методов ‑ метод измерения диффузионной длины, основанный на использовании подвижного светового зонда; метод определения времени жизни по измерению фотоэлектромагнитного эффекта и метод стационарной фотопроводимости.
Нестационарные методы измерения времени жизни можно разделить на две группы: фотоэлектрические и фазовые. К первой группе относятся методы, в которых измеряется временное затухание избыточной концентрации носителей заряда после первоначальной инжекции. Ко второй группе относятся методы, в которых используется эффект фазового сдвига между сигналом фотопроводимости и соответствующим сигналом генерации носителей заряда. Наиболее часто из нестационарных методов используются метод затухания фотопроводимости и метод модуляции проводимости в точечном контакте.
6.3.1. Измерение времени жизни по фотоэлектромагнитному эффекту
Фотоэлектромагнитный эффект (ФЭМ - эффект) - это возникновение эдс в полупроводнике, помещенном в магнитное поле, при его освещении. Фотоэлектромагнитный эффект открыт в 1934 году И.К. Кикоиным и М.М. Носковым.
Рассмотрим суть фотоэлектромагнитного эффекта. Пластину полупроводника освещают светом и помещают в магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны длине образца и направлению освещения (рис. 6.3). Фотоэлектромагнитный эффект можно рассматривать как эффект Холла, связанный с диффузией избыточных носителей заряда, возбужденных оптическим методом.
Рис. 6.3. Схема возникновения фотомагнитного тока
Свет, падающий на поверхность образца, возбуждает в приповерхностной области избыточные валентные электроны и дырки. Вследствие градиента концентрации носители заряда диффундируют в глубину образца по направлению к неосвещенной поверхности. Таким образом, в образце вдоль оси у возникают электронный и дырочный токи, которые в сумме составляют магнитодиффузионный ток, плотность которого уменьшается по мере удаления от освещенной поверхности.
Магнитное поле индукцией В отклоняет диффундирующие носители в направлении оси х и создает холловский ток электронов и дырок, который выражается через холловские углы п и р.
Таким образом, токи в направлении оси у - это диффузионно-дрейфовый ток (за счет градиента концентрации электронов и дырок) и холловский ток. Токи в направлении оси х - это холловский ток и дрейфовый ток в электрическом поле Ех, возникающем в образце при постоянной магнитной индукции.
Если торцевые контакты образца замкнуты, то в цепи протекает ток короткого замыкания фотоэлектромагнитного эффекта. При разомкнутой внешней цепи электронный и дырочный токи фотоэлектромагнитного эффекта будут циркулировать в образце до тех пор, пока не произойдет пространственное распределение заряда и между контактами образца возникнет разность потенциалов, называемая фотоэлектромагнитной эдс.
Фотоэлектромагнитный эффект зависит главным образом от поведения неосновных носителей заряда, так как параметры неосновных носителей определяют диффузионный процесс. С помощью ФЭМ - эффекта возможно измерение времени жизни, скорости поверхностной рекомбинации и подвижности.
Сначала определяют ток короткого замыкания ФЭМ - эффекта или напряжение холостого хода, а затем рассчитывают диффузионную длину и время жизни.
Ток короткого замыкания ФЭМ - эффекта
,
(6.6)
где с- скорость света; В - величина магнитной индукции; gS - скорость поверхностной генерации; q - заряд электрона; L - диффузионная длина; S - скорость рекомбинации; D - коэффициент диффузии; рН + пН - сумма холловских подвижностей электронов и дырок.
При измерениях малых времен жизни ((SL)/D 1) ток фотоэлектромагнитного эффекта
. (6.7)
Напряжение холостого хода
, (6.8)
где l - длина освещаемой области; d и b - соответственно толщина и ширина образца.
Соотношения (6.7) и (6.8) достаточно удобны для определения диффузионной длины, так как скорость поверхностной генерации можно определить при использовании в качестве источника света лазера, мощность которого может быть измерена с погрешностью не более 10 %. Однако рН + пН определяется из холловских измерений, и значения этой величины обычно берутся из литературы, что увеличивает погрешность измерений.
Схема измерения фотоэлектромагнитного эффекта имеет вид, приведенный на рис. 6.4. Световой поток от источника через оптическую фокусирующую систему ОС и фильтр Ф направляется на образец, помещенный между полюсами магнита. Свет источника модулируется с помощью вращающегося диска с вырезами М. Для измерения времени жизни с помощью ФЭМ эффекта требуются однородные образцы прямоугольной формы со специально изготовленными контактами. Образец включен в электрическую цепь, состоящую из источника постоянного напряжения ИТ, переменного сопротивления R и амперметра А. Сигнал переменного напряжения на образце, возникающий за счет протекания фототока и фотомагнитного тока, усиливается резонансным усилителем У и регистрируется вольтметром V или осциллографом О.
Рис. 6.4. Схема измерения
фотоэлектромагнитного эффекта
Основное применение ФЭМ - эффект находит для определения малых времен жизни (до 10-9 с) в широком диапазоне температур. Метод ФЭМ - эффекта можно использовать как для лабораторных исследований, так и для производственного контроля, например, при измерении времени жизни в образцах германия, легированного золотом и сурьмой.