Учебники 80376

Возможности метода значительно возрастают при использовании в качестве зондирующего пучка света луча лазера с длиной волны 3,39 или 10 мкм.

3.5. Измерение времени жизни методом модуляции проводимости точечным контактом

Измерение времени жизни неосновных носителей заряда методом модуляции проводимости полупроводника точечным контактом заключается в следующем. Через точечный контакт на полупроводниковом образце пропускается в прямом направлении прямоугольный импульс тока. С помощью этого импульса в объем образца инжектируются избыточные носители заряда. По окончании инжектирующего импульса тока концентрация избыточных носителей заряда в образце начинает уменьшаться за счет их рекомбинации.

Спустя некоторое время (время задержки) после окончания инжектирующего импульса тока через точечный контакт пропускается второй импульс тока, с помощью которого производится измерение. Падение напряжения на образце в момент подачи измерительного импульса тока зависит от концентрации избыточных носителей заряда, которые не успели ещё прорекомбинировать. Изменяя время задержки t3 в пределах 0 < t < 3t3, можно по зависимости падения напряжения на образце от времени задержки проследить весь процесс рекомбинации и определить время жизни носителей заряда в образце. Если пренебречь процессами рекомбинации носителей заряда на поверхности образца и на контакте, а также их диффузией, которые происходят при реальном эксперименте, то можно считать, что концентрация носителей заряда уменьшается только за счет их рекомбинации в объеме.

Структурная схема установки для измерения времени жизни методом модуляции проводимости образца точечным контактом представлена на рис. 3.8. Прямоугольный импульс тока от генератора Г1 пропускается через образец. Спустя

112

некоторое время, регулируемое с помощью линии задержки ЛЗ, на образец от генератора Г2 подается второй импульс тока. Генераторы Г1 и Г2 совместно с линией задержки составляют генератор спаренных импульсов.

Г2

Рис. 3.8. Структурная схема установки для измерения времени жизни методом модуляции проводимости образца точечным контактом

I

t3 t

U

U

U2(t3

t

Рис. 3.9. Импульсы напряжения, наблюдаемые на экране осциллографа, и соответствующие им импульсы тока

113

Напряжение, создаваемое на образце протекающим током, через ограничитель ОГ подается на осциллограф О. Так как величина импульсов напряжения, возникающих на образце, значительно больше изменения напряжения, вызванного модуляцией проводимости образца, то сначала импульсы напряжения подаются на ограничитель ОГ, который уменьшает амплитуды импульсов, оставляя лишь часть импульса изменяющуюся в результате процессов инжекции и рекомбинации. Частоту следования пар импульсов выбирают невысокой, порядка 50-200 Гц, чтобы за интервал времени между двумя последовательными парами импульсов концентрация носителей заряда успела прийти в равновесное состояние. Форма импульсов напряжения, наблюдаемых на экране осциллографа, и соответствующие им импульсы тока показаны на рис. 3.9. Пунктирная линия иллюстрирует изменение напряжения U2(t3).

Из теории следует, что разность амплитуд первого и второго импульса меняется при изменении времени задержки по закону

где - время задержки. Очевидно, что разность U2( ) - U2(t) меняется аналогичным образом. Подготовка образца к измерениям сводится к травлению его поверхности. Материал точечного контакта при наличии достаточной инжекции не сказывается на результатах измерений. Для улучшения стабильности контакта его подвергают формовке короткими импульсами тока в пропускном направлении. В качестве второго омического контакта используют прижимной контакт большой площади, для чего одну из поверхностей образца подвергают грубой шлифовке, или применяют электролитически нанесенный контакт.

114

Пределы измерений времени жизни на образцах германия и кремния 3-500 мксек при удельном сопротивлении 0,1-100 Ом см. Точность измерения порядка 30 %.

Как известно, сопротивление растекания точечного контакта равно /2d, где d – диаметр контакта. В момент первого импульса в область точечного контакта вводят неравновесные носители, увеличивающие проводимость приконтактной области. Носители заряда распространяются под действием сильного электрического поля в некоторую область радиуса r. Величина этой области зависит от длительности и силы тока первого импульса. Картина распределения носителей заряда в приконтактной области показана на рис. 3.10.

При достаточно большой длительности импульса наступает насыщение, эквивалентное режиму стационарной инжекции. По окончании первого импульса концентрация неравновесных носителей убывает по закону ехр(-t/). Если учитывать процессы диффузии, то затухание происходит по закону (t/ )0,5 ехр(-t/). При больших временах задержки процессом диффузии можно пренебречь.

/

1.0

0.6

1 2 3

0.2 L D

r, мм

Рис. 3.10. Распределения носителей заряда в приконтактной области

115

Экспериментальные исследования показали, что измеряемое время жизни зависит от длительности и силы тока первого импульса. Это связано с тем, что при уменьшении длительности импульса носители заряда, находящиеся в приповерхностной области, после окончания импульса исчезают за счет поверхностной рекомбинации и диффузии в глубь образца. Длительность первого импульса должна быть ~

1,5 .

Аналогичные результаты были получены при исследовании зависимости измеряемого времени жизни от тока первого импульса. При уменьшении тока первого импульса носители не могут распространяться в глубь образца и сосредоточиваются вблизи поверхности. Кроме того, зависимость от тока связана с влиянием уровня инжекции на измеряемое время жизни. В практике измерений необходимые значения тока первого импульса подбирают экспериментально.

Сильная зависимость от тока является основным недостатком метода модуляции проводимости в точечном контакте. Однако метод имеет ряд существенных достоинств:

1.Измерения можно проводить на образцах произвольной формы и величины.

2.Результаты мало зависят от качества обработки поверхности. Теоретические расчеты показали, что величина скорости поверхностной рекомбинации мало влияет на результаты измерений. Экспериментальными исследованиями

доказано, что при 20 мксек для шлифованной и травленной поверхностей результаты измерений совпадают.

3.Центры захвата (при не очень высокой их концентрации) мало влияют на результаты измерений, следовательно, измеряемое значение соответствует времени жизни неосновных носителей заряда.

4.Может быть исследована зависимость времени жизни от уровня инжекции или от концентрации неосновных носителей.

116

3.6. Определение параметров полупроводников путем измерения оптических и фотоэлектрических свойств

3.6.1.Электронные переходы и фотопроводимость

Воснове явления фотопроводимости лежит поглощение света веществом. При поглощении квантов света в веществе могут происходить три типа электронных переходов, которые обусловливают возникновение фотопроводимости. Переход типа 1 (рис. 3.11) соответствует собственному поглощению вещества, что приводит к образованию свободного электрона и свободной дырки на каждый поглощенный фотон. Генерацию пар свободных носителей заряда при внешнем воздействии на полупроводник называют биполярным возбуждением.

Врезультате поглощения фотонов локальными несовершенствами кристаллической решетки происходят переходы типа 2 и 3, которые ведут к образованию свободного электрона и дырки и связанных с соответствующим центром дырки и электрона. При возбуждении переходов типа 2 и 3 происходит генерация носителей заряда одного знака, т.е.

имеет место монополярное возбуждение. Монополярное возбуждение характерно для примесного механизма поглощения.

Другие возможные переходы, а именно: переходы внутри разрешенных зон, переходы на уровни возбуждения локальных несовершенств и переходы, связанные с образованием экситонов, здесь не рассматриваются, поскольку непосредственно не ведут к образованию свободных носителей заряда в свободной и валентной зонах.

Минимальная энергия фотона в случае перехода типа 1 равна ширине запрещенной зоны; спектр поглощения сплошной; величина коэффициента поглощения определяется плотностью квантовых состояний в разрешенных зонах энергии и вероятностями переходов. Поэтому спектр собственного поглощения однозначно характеризует данное вещество, и не изменяется от образца к образцу.

117

Возбужденные светом избыточные дырки и электроны остаются свободными в валентной зоне и зоне проводимости до тех пор, пока не рекомбинируют или не будут захвачены на локальный энергетический уровень. Локальные несовершенства кристаллической решетки можно разделить на две группы: центры захвата и центры рекомбинации.

Рис. 3.11. Электронные переходы в полупроводниках Находящийся в центре захвата носитель заряда в

результате теплового возбуждения имеет большую вероятность перехода обратно в свободное состояние. Находящийся в центре рекомбинации носитель заряда имеет большую вероятность рекомбинировать с носителем противоположного знака. На рис. 3.11 переходы типа 4 и 5 характеризуют процессы захвата и теплового возбуждения электронов и дырок. Различие между центрами захвата и центрами рекомбинации зависит не столько от природы самих центров, сколько от условий кинетики электронных процессов.

Генерированные светом носители заряда в результате столкновений теряют избыточную энергию и в течение времени релаксации приходят в тепловое равновесие с кристаллической решеткой; в дальнейшем фотоносители, ничем не отличаясь от равновесных, участвуют во всех явлениях переноса наравне с ними. Проводимость,

118

возникающая за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда при фотовозбуждении, составляет фотопроводимость вещества.

Возрастание концентраций свободных носителей заряда не является единственно возможной причиной фотопроводимости. Причиной возникновения фотопроводимости является также изменение подвижности носителей заряда. Так, например, электронные переходы внутри разрешенных зон при некоторых условиях приводят к изменению подвижности носителей заряда и возникновению фотопроводимости.

Ограничимся рассмотрением лишь фотопроводимости, связанной с изменением концентрации свободных носителей заряда в результате биполярного возбуждения. Фотопроводимость, связанную с межзонными переходами, называют собственной фотопроводимостью в отличие от монополярной примесной фотопроводимости. Длинноволновая граница собственной фотопроводимости совпадает с краем собственного поглощения и для многих полупроводников, таких как кремний, германий, соединения типа А3В5 лежит в инфракрасной области спектра. Широкозонные полупроводники из группы соединений А3В5, напротив, имеют границу собственной фотопроводимости в видимой и даже ультра-фиолетовой области спектра.

При наличии избыточных электронов n и дырок р удельная проводимость полупроводников

где n и р – полные концентрации носителей заряда; n = n0 + n, р = р0 + р. Подвижности избыточных носителей заряда считаются равными подвижностям равновесных носителей.

В однородном образце при равномерной генерации избыточных носителей заряда по всему объему удельная фотопроводимость 0 определяется как разность между

119

величинами удельных проводимостей при освещении и в темноте

0 е(n n p p) . (3.19)

Для хорошо проводящих полупроводников величин n и р обычно значительно меньше концентраций носителей заряда в темноте n0 и р0 или, по крайней мере, одной из этих величин. Поэтому результат воздействия света можно рассматривать как малое изменение больших величин равновесных концентраций носителей заряда. В изоляторах и полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны наоборот, n и р велики по сравнению с n0 и p0. Именно в этом и заключается основное различие при рассмотрении явления фотопроводимости в полупроводниках и диэлектриках.

Если при свете, падающем на фотопроводник, скорость генерации электронно-дырочных пар в секунду в единице объема g, то их стационарные концентрации связаны соотношением

и согласно выражению

полученному из (3.19) и (3.20), видно, что время жизни носителей заряда играет важную роль в процессах

120