Методика измерений
Схема установки для определения диффузионной длины методом светового зонда показана на рис. 2. Образец полупроводника укреплен на платформе, которая может перемещаться при помощи микрометрического винта относительно светового зонда, т.е. луча света, направленного на образец из оптической системы, где он фокусируется, формируется в виде тонкой полосы и модулируется. К образцу прикрепляется электролитически заточенный вольфрамовый зонд, который служит коллектором.
Свет на поверхность образца падает в виде тонкой прямой полоски шириной 0,1 мм, пересекающей всю поверхность образца и параллельной его торцам. Такая система освещения упрощает решение задачи диффузии неосновных носителей, делая ее одномерной.
Рис. 2. Схема установки для измерения диффузионной длины
Для того чтобы отделить часть коллекторного тока, обусловленного носителями, созданными светом, от тока основных носителей, применяется импульсное освещение (свет прерывается вращающимся диском с прорезью). Таким образом, ток неосновных носителей – переменный, а ток основных носителей – постоянный.
Частота прерывания света выбрана так, чтобы за время, когда образец затемнен, неосновные носители успевали полностью прорекомбинировать. Для этого периоды затемнения и освещения должны быть значительно больше времени жизни.
Смещение на коллектор подается от батареи Б. Его величина устанавливается потенциометром Р. Сопротивление Rн служит нагрузкой коллектора. Переменный ток неосновных носителей создает на Rн напряжение U, регистрируемое милливольтметром.
Это напряжение U = Rн I, где I – ток, обусловленный концентрацией неравновесных носителей заряда.
Измеряя величину U при различных расстояниях коллектора от световой полоски, можно определить диффузионную длину на основании (9).
Котангенс
угла наклона прямых графика
дает величину диффузионной длины (рис.
3). Эта величина должна быть одинакова
как для левой, так и для правой частей
графика (критерий малости поля коллектора).
Выполнение этого критерия показывает, что неосновные носители подходят к коллектору путем диффузии, а дрейф происходит только вблизи самого острия коллектора (на расстоянии примерно 0,1 мм).
Рис. 3. Схема вычисления диффузионной длины
Задание к работе
1. Включить схему и установить ток коллектора по заданию преподавателя.
2.
Установить манипулятор в такое положение,
чтобы середина световой полоски была
левее коллектора на 1-2 мм. Затем
последовательно смещать световую
полоску на расстояния
с интервалами в 0,1 мм, измеряя падение
напряжения на нагрузочном сопротивлении
до такого положения, чтобы падение
напряжения перестало меняться с
расстоянием X.
(10 делений цифрового индикатора
соответствуют 0.1 мм).
3. Смещая образец в противоположную сторону, провести вторую серию опытов.
4. Данные измерений занести в таблицу.
5. Построить график зависимости ln(U) от расстояния X. Каждую точку брать как среднюю двух измерений. Начало координат выбрать в точке, где U = max.
6. По наклону графика определить значение диффузионной длины L.
7. По известному значению коэффициента диффузии определить время жизни неосновных носителей:
,
.
Таблица измерений
Деления индикатора |
U1, В |
U2, В |
(U1 + U2)/2 |
ln U |
|
|
|
|
|
Интервал смещения – 5 делений – 0,05 мм.
U1 – напряжение при перемещении образца с зондом снизу вверх.
U2 – напряжение при перемещении образца с зондом сверху вниз.
Контрольные вопросы
Объяснить физическую сущность метода.
Что такое диффузионная длина?
Дать определение времени жизни.
Равновесные и неравновесные носители заряда.
Основные и неосновные носители заряда.
Почему в работе используется модулированное освещение?
Какова частота модуляции?
Лабораторная работа № 6
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ПРИ РЕКОМБИНАЦИИ ЧЕРЕЗ ЛОКАЛЬНЫЕ УРОВНИ
Цель и содержание работы
Целью работы является измерение времени жизни неосновных неравновесных носителей заряда методом модуляции проводимости точечного контакта. Измерения проводятся на образцах германия при комнатной температуре и температуре 350 К.
Теоретическое введение
Свободные носители заряда, возникающие в результате термической генерации и находящиеся в тепловом равновесии с кристаллической решёткой, называются равновесными. Помимо тепловой генерации имеются другие механизмы, приводящие к возникновению свободных носителей заряда. Например, при облучении полупроводника светом, за счёт разрыва валентных связей в сильных электрических полях или в результате инжекции с помощью p–n-перехода.
Во
всех этих случаях создаётся некоторая
избыточная концентрация неравновесных
свободных электронов
и дырок
,
которые могут иметь кинетическую
энергию, значительно превышающую среднюю
тепловую энергию равновесных частиц.
Параллельно с процессом генерации идёт процесс рекомбинации, в процессе которой концентрация неравновесных носителей убывает по экспоненциальному закону:
,
(1)
т. е. концентрация неравновесных носителей заряда после прекращения возбуждения уменьшается по экспоненциальному закону и за время число их в результате рекомбинации убывает в раз.
Таким образом время жизни неосновных неравновесных носителей заряда – это время, за которое концентрация неосновных неравновесных носителей заряда убывает в раз.
За
время жизни носители заряда проходят
расстояние, называемое диффузионной
длиной
.
Связь между
и
выражается формулой
, (2)
где D – коэффициент диффузии неосновных неравновесных носителей заряда.
Рассмотрим теперь, как меняется время жизни носителей заряда при рекомбинации через центры захвата в полупроводнике с изменением температуры.
Это рассмотрение проведем на примере примесного полупроводника электронного типа. Пусть в таком полупроводнике при повышении температуры от абсолютного нуля наблюдаются все три области изменения концентрации носителей, как это изображено на рис. 1.
Участок А – это область примесной проводимости, участок Б – область истощения, т. е. область полной ионизации примеси, характеризующаяся
Рис. 1. Температурные зависимости:
а – концентрации основных носителей заряда, б – уровня Ферми, в – времени жизни
постоянством концентрации носителей, и участок В – область собственной проводимости.
В области А уровень Ферми, температурный ход которого изображен на рис. 1, б, лежит между уровнем донорной примеси и зоной проводимости. С повышением температуры уровень Ферми понижается до положения уровня донорной примеси. В этой области уровень Ферми для всех температур лежит выше уровня энергии ловушек Et.
При дальнейшем повышении температуры при переходе к области полной ионизации донорной примеси уровень Ферми EF понижается и сначала достигает уровня ловушек Et, а затем опускается ниже энергетического уровня ловушек.
Время жизни τ увеличивается с ростом температуры вплоть до Т, при которой наступает собственная проводимость. Рост τ в этой области температур происходит потому, что с увеличением температуры имеет место интенсивная эмиссия электронов из ловушек.