1
0
-
1
≈-

02
，则电阻改
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变△ r=
l l ≈ ，其中 l ，s 分别为半导体的长度和截面积。因为△ r∝ △ σ，而 V=I△ r， 2 s 0 s
故△ V∝ △ σ，因此△ V∝ △ p。所以从示波器上观测到的半导体上电压降的变化就间接反映载流 子浓度的变化。
四、实验内容和步骤
1、接上电源线，用连接线将测试仪信号输出端与示波器输入端接通，开启主机及示波器，预热 15 分钟。在没放样品的情况下，可调节 W2 使检波电压为零。 2、在电极上涂抹一点自来水（注意:涂水不可过多，以免水流入光照孔），然后将清洁处理后 的样品置于电极上面，此时检波电压表将会显示检波电压。如样品很轻，可在单晶上端压上重 物，以改善接触，按下光源开关 K 接通红外发光管工作电源。 3、旋转光源幅度调节按钮 W1，调整光源电压为 3V，观察示波器上的指数衰减曲线，按图 2.6 的指数衰减曲线计算的少数载流子寿命，并计算测试值与实际寿命值间的误差。 4、不更换单晶样品，分别调整光源电压为 6V 和 9V，重复步骤 3。 5、更换单晶样品，重复步骤 3，4。更换单晶测量时无须再开关仪器。如发现信号不佳时，请 先考虑补充两个金属电极尖端的水滴，但注意水滴不要流入出光孔。 6、关机时，要先把开关 K 按起。 注：示波器读数方法 待示波器上的衰减曲线与标准曲线重合后，使扫描速度微调旋钮归零。若衰减曲线移动， 保持衰减曲线的曲率不变，调节衰减曲线的水平、垂直位置使曲线通过（0，6）点。而寿命值 就是衰减曲线通过（0，6）和（D，2.2）两个（X，Y）坐标点之间的扫描时间。观察衰减曲线 与标准曲线上的 1/eV（即标准曲线 Y=2.2cm ）水平线上的交点，读出交点离标准曲线 Y 轴的 水平距离 D，寿命值 τ=D×S （6） S----示波器时间基准扫描速度，单位 us/cm 或 ms/cm。
-t/τ
（5）
其中，(△ p)0 为开始时的非平衡载流子浓度，由于复合，△ p(t)随时间而衰减。 反映了非 平衡载流子平均存在的时间，即我们要测量的寿命值。
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图 2.2 非平衡载流子随时间指数衰减曲线
由式（5）也容易得到△ p(t+τ) =△ p(t) /e，若取 t=0，则△ p(τ) =△ p(0) /e。所以寿命标志着 非平衡载流子浓度减少到原值的 1/e 所经历的时间。 图 2.2 所示为非平衡载流子随时间指数衰减 曲线。 通常寿命是用实验方法测量的。各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本 方面。最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多。不同的注入和 检测方法的组合就形成了许多寿命测量方法。 图 2.1 所示就是用直流光电导衰减法测量寿命的基本原理图。测量时，用脉冲光照射半导 体，在示波器上直接观察非平衡载流子随时间衰减的规律，由指数衰减曲线确定寿命。在此基 础上，又产生了高频光电导衰减法，在该方法中采用高频电场替代了直流电场，电容耦合代替 欧姆接触。因而不用切割样品，不破坏硅棒，测量手续简便。
5、仪器配有两种光源电极台即可测纵向放置单晶，亦可测竖放单晶横截面的寿命。 少子的复合过程即可以发生在单晶体内也发生在表面，我们在示波器上看到的衰减曲线， 已是通过 LT-1 寿命仪将非平衡载流子浓度的变化转换为光电导电压的变化： -t/τ △ V = △ V0 e （7） 为了准确读出寿命值，按测试标准要求，需在示波屏上绘一条标准的指数衰减曲线：△ V（t） = -t/τ △ V0 e ， 通常我们在 Y 轴上取△ V0 为 6 分格 （或 6cm） ， 衰减 1/e 后为 2.2 分格， △V （t） =6/e=2.2， 因此寿命值就是衰减曲线通过（0，6）和（D，2.2）两个（X，Y）坐标点之间的扫描时间。
图 2.3 高频光电导衰减法测量系统方框图 图 2.3 为高频光电导衰减法测量系统方框图。从方框图中可以看出，高频源提供的高频电 流流经被测样品，当红外光源的脉冲光照射样品时，单晶体内即产生非平衡光生载流子，使样 品产生附加光电导,样品电阻下降，由于高频源为恒压输出，因此，流过样品的高频电流幅值， 此时增加ΔI；光照消失后，ΔI 便逐渐衰退，其衰退速度取决于光生非平衡载流子在晶体内存
实验指导书
实验名称：实验二、高频光电导法测少子寿命 学时安排：4学时 实验类别：验证性 实验要求： 必做
一、实验目的和任务
1、了解光电导法测试少数载流子寿命的原理，熟练掌握 LT-2 高频光电导少数载流子寿命 测试仪的使用方法； 2、测非平衡载流子的寿命。
二、实验原理
处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的。这种处于热平衡状态下 的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导 体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非 平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度不再是 n0 和 p0，可以比它们多出一部分。 比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称过剩载流子。 用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法，称为非平衡载流子的光注入。光注入时
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五、注意事项和要求
1、 光强调节电位器逆时针旋转到关断状态（会听到响声）再关或开光源开关。 2、 补充两个金属电极尖端的水滴时，注意水滴不要流入出光孔 3、 长期使用后，铍青铜会氧化变黑，此时如加水也不能改善信号波形，请用金属砂纸（或细 砂纸）打磨发黑部份，并将擦下的黑灰用酒精棉签擦静。
图 2.4 正弦载波
图 2.5ห้องสมุดไป่ตู้调幅波
图 2.6 非平衡载流子浓度转化为电压后随时间指数衰减曲线
三、实验设备
本实验采用 LT-2 高频光电导少数载流子寿命测试仪。该仪器灵敏度高，配备有红外光源， 可测量包括集成电路级硅单晶在内的各种类型硅单晶及常用的晶体管级锗单晶。该仪器根据国 际通用方法—高频光电导衰退法的原理设计，由稳压电源、高频源、检波放大器、脉冲光源及 样品电极共五部分组成，采用印刷电路和高频接插件连接。整机结构紧凑，测量数据准确、可 靠。 单晶少子寿命测试仪须配合示波器使用（构成如图 2.7 所示） ，主机和示波器通过讯号连接 线相连。测试时将样品置于主机顶盖的样品承片台上，通过调节示波器同步电平及释抑时间内 同步示波器，使仪器输出的指数衰减光电导信号波形稳定下来，然后在示波器上观察和计算样
d p (t ) ，它是由复合引起的，因此应当等于非平衡 dt
载流子的复合率（
p

或
n

） ，即
d p(t ) p = dt
小注入时， 是一恒量，与△ p(t)无关，上式的通解为
△ p(t) = Ce
-t/τ
（3）
（4）
设 t=0 时，△ p(0)= (△ p)0,代入上式可得
△ p(t) = (△ p)0e
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品寿命读数。
图 2.7 单晶少子寿命测试仪和示波器连接示意图 以下对主机各部分进行说明: 3.1 主机前面板说明
图 2.8 主机前面板示意图 项目 L1 L2 K W1 W2 CZ 说明 红外光源电压值显示屏，指示红外光管工作电压大小 检波电压显示屏 红外光源开关 红外光源电压调节电位器，顺时针旋转电压调高，反之电压调低 检波电压调零电位器，通过顺时针或逆时针旋转可使检波电压调零 信号输出高频插座，用高频电缆将此插座输出的信号送至示波器观察
3.2 主机后面板说明
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图 2.9 主机后面板示意图 项目 1 2 3 4 说明 电源开关 电源插座 保险管（规格：1A 250V） 散热风扇
4.3 主机承片台说明：
图 2.10 主机承片台示意图 样品的承片台位于主机箱顶盖中央，由两个电极和红外光透光孔组成，测试时将样品置于 两电极和红外光透光孔上。 4.4 技 术 指 标 1. 测试单晶电阻率的下限：硅单晶 :2Ω.cm，锗单晶：5Ω.cm。 2. 可测单晶少子寿命范围：5μS～7000μS。 3. 配备光源类型：F71 型 1.09μm 红外光源。 闪光频率为 20～30 次/秒，频宽 60μS 。 4. 高频振荡：石英谐振器，振荡频率：3OMHz 。 5. 前置放大器：放大倍数 25～30 倍，频宽：2Hz-lMHz 。 6. 仪器测量重复误差：＜土 20% 。 7. 采用对标准曲线读数方式。 8. 仪器消耗功率：＜30W 。 9. 仪器工作条件：温度：1O～35℃；湿度：＜80% 。
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在的平均时间(即寿命τ)。在小注入条件下，当复合是主要因素时，ΔI 将按指数规律衰减，在 取样器上产生的电压变化ΔV，也按同样的规律变化。 图 2.4 为高频源提供的正弦载波，图 2.5 为非平衡载流子浓度变化形成的调幅波，图 2.6 为 非平衡载流子浓度转化为电压后随时间指数衰减曲线。
△ σ=△ nqµn+△ pqµp=△ pq（µn+µp）
（2）
这个附加电导率可以用图 2.1 所示的装置观察。图中电阻 R 比半导体的电阻 r 大得多，因此无 论光照如否，通过半导体的电流 I 几乎恒定的。半导体上的电压降 V=Ir。设平衡时电导率为 σ0， 光照引起附加电导率△ σ，小注入时 σ0+△ σ≈σ0，因此电阻率改变△ ρ=
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图 2.1
光注入引起附加光电导
寿命的全称是非平衡少数载流子寿命，它的含意是单晶在受到如光照或点触发的情况下会 在表面及体内产生新的（非平衡）载流子，当外界作用撤消后，它们会通过单晶体内由重金属 杂质和缺陷形成的复合中心逐渐消失，杂质、缺陷愈多非平衡载流子消失得愈快，在复合过程 中少数载流子起主导和决定的作用。这些非平衡少数载流子在单晶体内平均存在的时间就简称 少子寿命。 非平衡载流子在撤除外界作用（如光照）后由于复合而逐渐消失，△ p 将随时间而变化， 单位时间内非平衡载流子浓度的减少应为