БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра “Микро- и нанотехника”

Лабораторная работа №2

“Анализ радиального распределения рекомбинационных параметров методом поверхностных фото - ЭДС ”

по дисциплине «Контроль параметров»

Составитель: доцент

Сернов С.П.

Минск 2000 г

Анализ радиального распределения рекомбинационных параметров методом поверхностных фото - ЭДС

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить распределение поверхностной фотоэдс на границе раздела полупроводик-электролит по плоскости кремниевой пластины. В характерных точках пластины измерить люкс амперные и спектральные характеристики сигнала фотоэдс и определить объемное время жизни неосновных носителей заряда.

1.КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

Возникновение фотоэлектродвижущих сил (фотоэдс) в полупроводнике связано с существованием неравновесных носителей заряда, генерируемых светом, и выполнением одного из следующих условий:

1)существование неоднородности в полупроводнике, которая приводит к возникновению внутреннего электрического поля, разделяющего неравновесные носители заряда;

2)неоднородного поглощения света, приводящего к градиенту концентрации неравновесных носителей заряда.

Полную фотоэдс можно измерить конденсаторным методом, помещая полупроводник между обкладками конденсатора, одна из которых полупрозрачна, и освещая его модулированным светом. При этом во внешней цепи, замкнутой на большую нагрузку, появляется электрический ток, по величине которого и рассчитывают полную или конденсаторную фотоэдс. Различают две компоненты полной фотоэдс:

• объемную фотоэдс Дембера (диффузионная фотоэдс), возникающую в результате различной подвижности электронов и дырок и их диффузии, вследствие градиента концентраций неравновесных носителей заряда;

• поверхностную фотоэдс, которая, в свою очередь также многокомпонентна.

Механизм возникновения барьерной фотоэдс состоит в следующем. Неравновесные электронно-дырочные пары, подходящие к барьеру, увлекаются его электрическим полем, концентрация неосновных носителей в области барьера возрастает, что приводит к понижению первоначальной высоты барьер. Разность высоты барьера до и после освещения и представляет собой барьерную или вентильную фотоэдс. К этому же виду относится и фотоэдс на неоднородностях, связанная с неоднородным распределением концентрации легирующей примеси в полупроводнике. Особый вид составляет поверхностная фотоэдс, возникающая из-за захвата ловушками, расположенными на поверхности полупроводника, неравновесных носителей одного знака. Это так называемое поверхностно-ловушечных фотоэдс, существование которой не связано, ни с поверхностным барьером. Так, например, для разделения диффузионной и барьерной компонент требуется выполнения условия L_D>Lэ, где L_D-длина биполярной диффузии, Lэ-длина экранирования.

Основной вклад в полную фотоэдс дает поверхностно-барьерная компонента, что при малых уровнях инжекции обусловлено эффективным разделением носителей в области приповерхностного объемного заряда, при увеличении уровня инжекции – сближением значений коэффициентов диффузии электронов и дырок, вследствие возрастания электронно-дырочного взаимодействия.

Специфическим видом поверхностной фотоэдс является фотоэдс на границе раздела полупроводник-электролит. Если погрузить полупроводник в раствор электролита, то между ионами электролита и полупроводником начнется переход зарядов. Перемещение зарядов через межфазовую границу приводит к образованию двойного электрического слоя, определяющего разность потенциалов на межфазовой границе.

Эта разность потенциалов носит название гальвани-потенциала. Межфазовая граница раздела полупроводник-электролит состоит из трех областей. В электролите: слой Гельмгольца (рис.1), представляющий собой ионный слой, распространяющийся на один ионный радиус от поверхности полупроводника и диффузионный мм слой Гуи, создаваемый ионами в электролите, находящимися на расстояниях, больших, чем радиус иона. Толщина слоя Гуи зависят от концентрации ионов, их валентности, и от температуры электролита. Вторую сторону межфазовой границы образует слой пространственного заряда в полупроводнике, возникающий за счет перераспределения заряда в приповерхностной области. Гальванипотенциал образуется как суммарное падение потенциала на каждой из областей:

_(x) = ₁ + ₀ + ₁

(1)

₁ = _c - |x = -d₀

Отношение падений потенциала можно определить из следующих соотношений:

Где ₁=₀-_ -падение потенциала в области пространственного заряда;

_-потенциал в глубине проводника;

₀ -падение потенциала в слое Гельмгольца;

₁- падение потенциала в диффузионной части двойного слоя в электролите;

_с - потенциал в глубине электролита;

L₁ и L₂-дебаевская длина в полупроводнике и электролите, соответственно;

Строение двойного слоя (1), распределение потенциала (2) и заряда (3) на границе раздела полупроводник-электролит.

1 Слой Гельмгольца + + + + + + + + + + Полупроводник

Рис.1

₀,₁,₂-значеие диэлектрической проницаемости в слое Гельмгольца, в полупроводнике и электролите, соответственно.

Из анализа выражений (2) следует, что при сравнительно высокой концентрации электролита и малой плотности поверхностных состояний электрические свойства межфазовой границы полупроводник-электролит определяются зарядом полупроводника.

При освещении полупроводника поверхностно-поглащаемым светом происходит генерация неравновесных носителей заряда вблизи поверхности. В зависимости от природы объемного заряда, т.е. в зависимости от обеднения или обогащения поверхностного слоя электроны будут двигаться либо к поверхности, либо от нее, в то время как дырки будут двигаться в противоположном направлении. Такое разделенние заряда приводит к изменению потенциала между объемом и поверхностью полупроводника и возникновению поверхностной фото-эдс.

Разность потенциалов между объемом и поверхностью полупроводника соответствует разнице между положением уровня Ферми неосвещенной части полупроводника, где соблюдаются условия термодинамического равновесия и положением квазиуровня Ферми в освещаемой части полупроводника. В объеме полупроводника концентрация электронов и дырок соответственно равна:

n ₀=N_Eexp[-(E_E-E_F0)]

(3)

p₀=N_Vexp[-(E_F0-E_V)]

Где n₀, p₀- концентрации носителей в объеме; N_E, N_V -плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне; E_F0-уровень Ферми в объеме полупроводника.

Для освещаемой области полупроводника соответственно:

n=N_Eexp[-(E_E-E_F)]

(4)

p=N_Vexp[-(E_F-E_V)]

где Е_F-энергия, соответствующая квазиуровню Ферми. Тогда

(5)

Полагая, что p=p₀+∆p, n=n₀+∆n, E_F=E_F0+∆E_F, n₀>>∆n, p₀>>∆p.

Где ∆р и ∆n неравновесные концентрации носителей заряда, решаем систему (5). Тогда величина фотоэдс определяется следующим выражением:

(6)

Как видно из выражения (2), величина фотоэдс будет при любых (р₀-n₀) определяться величиной ∆р. Таким образом, при низких уровнях инжекции величина фотоэдс пропорциональна концентрации неравновесных носителей заряда на поверхности полупроводника, т.е.

U~∆p

Для вычисления концентраций неравновесных носителей ∆р в стационарных условиях при отсутствии центров захвата необходимо найти решение уравнение непрерывности:

(7)

где _-объемное время жизни неравновесных носителей заряда;

- коэффициент поглощения;

D- коэффициент диффузии.

В этом уравнении первое слагаемое описывает диффузию неравновесных носителей заряда, второе- их рекомбинацию, а третье- генерацию неравновесных носителей заряда по следующему закону:

(8)

Где - квантовый выход;

h- энергия падающего кванта света;

R_S- коэффициент отражения поверхности;

I₀- интенсивность освещения полупроводника.

Будем считать поверхности образца равномерными, в этом случае имеем одномерную задачу с граничным условием на поверхности Х=0.

(9)

Где S- скорость поверхностной рекомбинации.

Будем считать образец достаточно толстым, т.е. d>>L_D и d>>1/; где L_D- амбиполярная диффузионная длина.

Общее решение уравнения (3) имеет вид:

Используя граничные условия уравнения (5), получим

Тогда:

(10)

Тогда при Х=0 а поверхности образца:

(11)

Как видно из выражения (11), поверхностная фотоэдс определяется рядом внешних и внутренних параметров, в том числе и рекомбинационными характеристиками S и _. Если L_D и S не зависят от , то величина поверхностной фотоэдс определяется следующим выражением:

(12)

Считая значения ,R и I известным, можно определить_ и L_D, измеряя зависимость величины поверхностной фотоэдс U от длины волны .

2.Описание установки и методика измерений.

На рис.2 приведена схема лабораторной установки. Основными ее частями являются монохроматор УМ-2, разлагающий излучение источника света по длинам волн, ячейка с электролитом, в которую помещается исследуемая пластина и контрэлектрод. Свет от источника прерывается модулятором и фокусируется на входное отверстие монохроматора, на выход которого находится ячейка с пластиной. Фотоэдс, возникающая в систем полупроводник-электролит-контрэлектрод, регистрируется стрелочным прибором.

2.1.Подготовка установки к работе.

1. Включить в сеть источник света и установить ток акала 1<=6A.

2. Включить в сеть модулятор.

3. Вольтметр В3-33:

а) переключатель пределов измерения в крайнее правое положение;

б) переключатель “mv-v”-в положение “v”;

в) тумблер “сеть”- в положение “включено”.

Установка к работе готова.

Для того, чтобы использовать методику измерения, описанную в теоретической части данной работы, необходимо убедиться, что режим работы малосигнальный, т.е. величина фотоэдс далека от насыщения. Для этого исследуем люкс-амперную характеристику.

2.2.Задание и порядок выполнения работы.

1.Исследовать люкс-амперную характеристику:

А) установить барабан монохроматора на деление 3150, что соответствует длине волны излучения 0,78 мкм;

Б) переключатель пределов вольтметра В3-33 установить в положение, соответствующее появлению сигнала (отклонения стрелки);

В) убедиться, что отклонение стрелки вызвано сигналом фотоэдс, для чего необходимо перекрыть непрозрачным предметом входную щель монохроматора;

Г) установить электрохимическую ячейку в крайнее левое положение.

ВНИМАНИЕ! Ячейка должна перемещаться строго горизонтально.

Д) вращая барабан монохроматора, добиться максимального значения фото сигнала;

Е) устанавливая на столик нейтральные фильтры (сетки ) и их комбинации,

снять зависимость фотоэдс U₁ от интенсивности излучения. Данные занести в таблицу 1.

Схема лабораторной установки.

Объектив Источник

света

Монохроматор

Модулятор

Ячейка с пластиной

Рис.2

Таблица 1.

Люкс-амперная характеристика.

U1,mv
…
U4,mv
І, %	100