Учебники 80376

освещении контакта или из-за неоднородности образца. Чтобы предотвращать эти ошибки, необходимо проверять однородность образца и тщательно экранировать контакты от попадания на них света. Расстояние от контакта до освещения части образца должно быть больше нескольких диффузионных длин, чтобы процессы рекомбинации на контактах не влияли на спад фотопроводимости образца.

В ряде случаев, особенно при измерениях на образцах кремния, кривая спада фотопроводимости имеет длинноволновую составляющую, обусловленную уровнями захвата. Для устранения их влияния эффективным средством является постоянная подсветка образца.

Для быстрого выполнения измерений, повышения их точности и удобства анализ осциллограммы производят непосредственно на экране осциллографа путем сравнения с вспомогательной экспонентой. Это экспоненциальное напряжение получают от специальной RC-цепочки, включенной в цепь фотоэлемента, на который подается тот же импульс света, что и на образец. При совпадении постоянной времени RC-цепочки и кривой затухания фотопроводимости осциллограмма спрямляется, и величину времени жизни отсчитывают по калибровочной шкале RC-цепочки. С целью исключения высших гармоник эту операцию производят на участке осциллограммы, отстоящем от начала спада не менее чем на 2.

3.6.4. Фазовый и частотный методы измерения времени жизни

Фазовый и частотный методы измерения времени жизни основаны на использовании инерционности процесса фотопроводимости, связанной с конечной величиной времени жизни избыточных носителей заряда. При возбуждении носителей заряда светом, интенсивность которого изменяется во времени, например по синусоидальному закону,

131

фотопроводимость и фототок образца воспроизводят изменение интенсивности света с некоторым запаздыванием, т.е. возникает фазовый сдвиг между световым возбуждением и фототоком. При этом фазовый угол зависит от объемного времени жизни носителей заряда и скорости поверхностной рекомбинации. Таким образом, измеряя величину фазового сдвига, можно определить время жизни носителей заряда в образце.

Наличие фазового сдвига фототока приводит к тому, что при увеличении частоты изменения интенсивности света начинает уменьшаться величина фототока, т.е. начинает проявляться частотная зависимость фототока. Зависимость фототока, так же как и фазовый угол, связана с величиной времени жизни, которую можно найти по зависимости амплитуды фототока от частоты изменения света.

В простейшем случае изменение проводимости со временем при освещении полупроводника синусоидально модулированным светом происходит по закону:

т.е. в установившемся режиме, как амплитуда, так и фаза

зависят от величины эффективного времени жизни носителей заряда в образце.

Более точный анализ с учетом поверхностной рекомбинации показывает, что ее наличие ведет к уменьшению фазового угла между сигналом фотопроводимости и возбуждающим светом. Условие (3.47) справедливо только при s=0; при наличии поверхностной рекомбинации фазовый угол выражается сложной функцией, зависящей от многих параметров,

132

жизни, которое можно измерить на таких установках, обычно не меньше нескольких десятков микросекунд.

Определить можно путем исследования сдвига фаз между фототоком и световым сигналом. Обычно измерение разности фаз с этой целью производят методом компенсации. Метод компенсации состоит в том, что вначале световой сигнал преобразуют в тождественный ему по фазе электрический сигнал с помощью безинерционного приемника излучения. Затем электрический сигнал, совпадающий по фазе со световым, сдвигается по фазе посредством фазовращающего устройства так, чтобы его фаза совпала с фазой фототока образца. Схема для определения времени жизни методом компенсации сдвига фаз изображена на рис. 3.14.

Световой поток от источника света, модулированный по синусоидальному закону модулятором М, через оптическую систему ОС и фильтр Ф направляется на образец. Напряжение, пропорциональное фототоку, снимается с сопротивления нагрузки Rн и через усилитель У подается на вертикальный вход осциллографа О.

Часть светового потока, отраженная зеркалом З, попадает на вакуумный фотоэлемент ФЭ, инерционностью которого можно пренебречь по сравнению с инерционностью фототока полупроводникового образца. Сдвигая фазу фототока

вцепи фотоэлемента с помощью фазовращателя, в качестве которого в простейшем случае используется RC-цепочка, можно сделать её совпадающей с фазой фототока образца. Отсутствие разности фаз фиксируется осциллографом с помощью фигуры Лиссажу, которая при совпадении фаз двух сигналов из эллипса превращается в наклонную прямую.

Если шкалу фазовращающей цепочки проградуировать

вединицах времени, то при отсчете по шкале фазометра в моменты компенсации определяют непосредственно время жизни. Условие компенсации можно получить при

134

чувствительность и точность измерений существенно зависят от значения этой частоты.

Б

ФЭ

Рис. 3.14. Схема установки для измерения времени жизни путем исследования сдвига фаз между фототоком и световым

сигналом

3.6.5. Измерение спектров поглощения

Оптические методы исследования свойств полупроводников отличаются большой универсальностью: такими методами можно исследовать монокристаллы и поликристаллы, пленки и порошки полупроводниковых материалов. Фундаментальные оптические свойства полупроводников связаны с электронами валентной зоны и зоны проводимости. Поскольку ширина запрещенной зоны полупроводников, имеющих техническое применение (Ge, Si,

SiC, соединения AIIIBV, AIIBVI), обычно не превышает нескольких электронвольт, коротковолновая граница спектра,

используемого при исследовании полупроводников, обычно составляет около 0,2 мкм. Длинноволновая граница спектра соответствует переходам электронов между мелкими

135

уровнями, лежащими в запрещенной зоне, и соответствующей валентной зоной или зоной проводимости полупроводников. Эта величина обычно ограничивается длиной волны ~ 100 мкм. Для таких полупроводников, как германий и кремний, интересен диапазон длин волн от 0,75 до 25 мкм. В настоящее время выпускаются промышленные оптические приборы, перекрывающие указанные диапазоны.

Для определения фундаментальных параметров полупроводников широко используются методы измерения спектров поглощения. В тех участках спектра, где вещество селективно поглощает, величина прошедшего потока излучения становится меньше, образуя в спектре падающего на вещество излучения полосы поглощения, которые и составляют исследуемый спектр. Измерение спектра поглощения сводится к измерению зависимости энергии потока излучения, прошедшего через вещество, от длины волны. Для этой цели излучение от источника (чаще всего непрерывного спектра) пропускают через исследуемое вещество и направляют на входную щель монохроматора. Поток, выходящий из монохроматора, направляется на приемник излучения, сигнал которого после усиления измеряется прибором или регистрируется при сканировании спектра. Схема классического спектрометра для измерения спектра поглощения приведена на рис. 3.15.

Создание перестраиваемых по частоте лазеров позволяет измерять спектр поглощения без применения спектрального прибора – путем прямого определения зависимости потока излучения, прошедшего через вещество от длины волны.

Для исключения зависимости регистрируемого спектра поглощения I(d,) от спектра источника вводят несколько величин, характеризующих только поглощающее вещество. Таких величин четыре:

1) Коэффициент пропускания Т, определяемый соотношением

136

где I – интенсивность излучения, прошедшего через слой поглощающего вещества толщиной d; I0 – интенсивность излучения, падающего на исследуемое вещество. Он изменяется в пределах 0 < Т < 1 и обычно выражается в процентах (0 < Т < 100 %). Зависимость Т( ) часто называют спектром пропускания (рис. 3. 16 а).

2) Коэффициент поглощения А, определяемый отношением поглощенной энергии к энергии, падающей на вещество:

Величина А( ) изменяется в пределах 0 < А <1 (рис.3.16 б).

3) Оптическая плотность поглощающего вещества D,

определяемая соотношением

Оптическая плотность линейно связана с () и d.

4)Показатель поглощения (), определяемый

соотношением

Величина () характеризует природу поглощающего вещества, т.е. является его спектроскопической характеристикой.

Для измерения спектров поглощения обычно непосредственно определяется коэффициент пропускания Т( ), через который можно найти и другие характеристики спектра.

137

Современные оптические приборы подразделяются на спектрографы, спектрометры и спектрофотометры. В спектрографах спектр регистрируется при помощи фотографической пластинки. К таким приборам относятся, например, спектрографы типа ИСП-28, ИСП-51. В спектрометрах ИКС12, ИКС-21 регистрируется положение спектральной линии, т.е. определяется её длина волны и интенсивность потока излучения.

В спектрофотометрах ИКС-14, ИКС-22, ИR-10, ИR-20 определяется длина волны или волновое число и коэффициент пропускания для данной длины волны равный, например. отношению Ix/I0, где Ix – интенсивность излучения, прошедшего через вещество, I0 – интенсивность излучения, падающего на образец, или проходящего через контрольный образец.

Рис. 3.15. Схема однолучевого спектрометра для измерения спектров поглощения:

138

Рис. 3.16. Способы представления спектров поглощения:

Тот - (а), А от - (б), от - (в):

И– источник непрерывного спектра; С - исследуемое

вещество; М – монохроматор; D – приемник излучения; М1 и М2 – зеркала; У – усилитель; R – регистрограмма

Для того, чтобы упростить процедуру регистрации спектра поглощения, часто используют двухлучевые спектрофотометры, которые позволяют сравнивать интенсивность света от источника света с интенсивностью света, проходящего через исследуемый образец, или интенсивностью света, проходящего через исследуемый и контрольный образцы. Оптическая схема одного из приборов такого класса представлена на рис. 3.17.

139