1.2 非平衡少數載流子壽命測試

1.實驗目的

掌握少數載流子壽命的測試方法與原理。

掌握高頻光電導衰減法少子壽命測試設備的使用方法。

2.實驗原理

少數載流子壽命高頻光電導衰減法測量電路示意圖如圖1.5所示。

單晶硅樣品被光照射時產生了新的光生電子—空穴對。對于N型樣品空穴即為少數載流子；對于P型樣品電子即為少數載流子。光熄滅后，這些光生載流子被體內重金屬雜質形成的深能級所捕獲，同時被表面缺陷中心復合。在復合過程中少數載流子的減少起最主要的作用，隨著光生載流子的減少，高頻源流過樣品的電流減小，在取樣器上得到的光電導電壓按指數方式衰減，如圖1.6所示。在圖1.6中，，則

式中 τ——時間變量。

則

式中 e——t₁～t₂內遷移的電子量。

選擇CURSORS光標模式手動測量，進入手動測量界面，壽命讀數可從表1.3中選擇光標起止位置進行測量，測量時將波形大小調為6格（請根據垂直系統微調將信號調至6格），按照6格計算起止光標位置，見表1.6,波形如圖1.7所示。

選擇的壽命值建議取在光電導電壓U₀從40%衰減到14.7%的時間段。

數字示波器可以取信號的疊加平均值，可以顯著降低噪聲，提升波形質量。平均次數越多，波形和讀數越穩定。在保證波形穩定的情況下，為了提高測量速度一般讀取32次數據即可。按功能鍵“采樣ACQUIRE”即可選獲取方式為平均。

本儀器壽命測試范圍為5～10000μs，按測量標準對儀器設備的要求，本儀器設備配有以下部件：

（1）光脈沖發生裝置。主要參數為：重復頻率大于25次/s，脈寬不小于60μs，脈沖電源為5～20A，光脈沖關斷時間小于2μs，紅外光源波長為1.06～1.09μm（測量單晶硅）。

（2）高頻源。頻率為30MHz，低輸出阻抗，輸出功率大于1W。

（3）放大器和檢波器。頻率響應為2～2MHz。

（4）配用示波器。頻帶寬度不低于10MHz，Y軸增益及掃描速度均應連續可調，如果測量鍺單晶壽命需另行配置適當波長的光源。

（5）儀器配有兩種光源電極臺，既可測量縱向放置的單晶硅壽命，也可測量豎放單晶硅橫截面的壽命。

3.實驗設備

數字式硅晶少數載流子壽命測試儀、數字示波器。

4.實驗步驟

（1）少數載流子壽命測試儀的使用。

1）檢查電源開關及連接線路。儀器面板圖如圖1.8所示。開機前檢查電源開關是否處于關斷狀態：“0”在高位——開態，“1”在高位——關態。在少數載流子壽命測試儀（簡稱壽命測試儀）信號調節端與示波器通道1（CH1）之間，用隨機配置的信號線連接。擰緊壽命測試儀背板的保險管帽，插好電源線。

2）開啟壽命測試儀電源開關。按下電源開關“1”，此時“1”處于低位，“0”處于高位，開關指示燈亮。先在鈹青銅電極尖端點兩滴自來水，然后將單晶硅放在電極上準備測量。

3）開啟脈沖光源開關。光脈沖發生裝置為雙電源供電，先按下光源開關“1”，壽命測試儀內脈沖發生器開始工作。再順時針方向擰響帶開關電位器（光強調節），此時光強指示數字表在延時10s左右（儲能電容完成充電）數值上升。測量數千歐姆·厘米的高阻單晶硅時，光強電壓只要用到5V左右；測量數十歐姆·厘米的單晶硅可將電壓加到10V左右；測量幾歐姆·厘米的單晶硅可將電壓加到15V左右。光強調節電位器順時針方向旋轉，脈沖光源工作電壓升高，光強增強，最高可調到20V，此時流經發光管的電流高達20A，因此不能在此條件下長期工作。

4）設備預熱。壽命測試儀電源開關在開啟瞬間，由于機內儲能電容、濾波電容均處于充電狀態，是一個不穩定的過程，因此示波屏上會出現短時雜亂不穩的波形。待充電完成后示波屏上出現一條較細的水平線時，壽命測試儀才進入工作狀態。因此使用前請開機預熱2～3min。更換單晶硅測量時無需再開關儀器。

5）批量測試時，當發現信號不佳時，請先考慮補充2個金屬電極尖端的水滴，但注意水滴不要流入出光孔。

6）長期使用后，鈹青銅會氧化變黑，此時如果加水也不能改善信號波形，請用金相砂紙（或細砂紙）打磨發黑部分，并將擦下的黑灰用酒精棉簽擦凈。

（2）數字示波器的使用。數字示波器實物圖如圖1.9所示。

1）將壽命測試儀主機信號線接入Y通道2高頻插座，按示波器頂蓋電源開關。檢查CURSORS（光標）、通道2、RUN/STOP 3個綠燈是否亮。如有缺亮的燈，請按相應按鍵。RUR/SOTP燈紅色時為停止，綠色才能運轉。

2）數字示波器前面板部分操作。

a.垂直系統。垂直通道電壓靈敏度由通道2上方的大旋鈕控制，按下一次為粗調（步進），再按下一次為細調。注意網絡下方左邊通道2/V的變化，此數代表每分格（8.9mm）的電壓值。低阻單晶硅通道2/V后面數字常用在20mv/div、50mv/div、100mv/div擋。通道2下面的小旋鈕控制波形在顯示屏的上、下位置，若在調節波形垂直大小時波形失顯，則按一下垂直系統的小旋鈕讓其歸零或調節觸發電平即可重新顯示。

b.水平系統。大旋鈕調節掃描速度時，請注意屏幕網絡下方的M=××μs，它表示每分格代表的掃描時間，一般選M值與單晶硅壽命相近，低阻單晶硅選M=10μs、25μs、50μs。（注：大旋鈕只有掃描速度的步進調節功能，沒有細調功能。此旋鈕按一下出現兩條直線將指定部位波形放大，再按一下出現放大后的波形，再按一下則還原，僅是放大波形，以便于觀察細節，并無實際的調節功能。）

小旋鈕控制波形在屏幕上的左、右位置，調節時請緩慢旋轉，因為調節掃描速度時波形也可能跳到屏幕顯示之外，此時按一下小旋鈕波形就會回到顯示屏中間位置。

c.同步系統。由于壽命測試儀信號線接入通道2，因此只能選通道2為觸發信源，不能選通道1或脈沖、視頻等。觸發類型選上升邊沿。觸發方式為自動或在波形不穩時選單次。耦合設置一般選“交流”或（在波形漂動時）“低頻抑制”，特長壽命（＞1ms）測量選“直流”。此時旋轉觸發電平，會出現一條水平亮線，通過旋轉可上、下移動，當亮線移至波形要出現的位置時，波形將穩定出現。設置完成后關閉電源，示波器將自動保存設置，下次開機即可直接使用。藍色AUTO為自動設置鍵，按下則恢復出廠設置，若無意按下，需按要求重新設置。

（3）示波器的基本設置及使用方法。為更快掌握示波器的使用方法，現列出其基本設置、調試方法及注意事項如下：

a.首先打開示波器頂端的電源開關，選擇所使用的通道1或通道2。如選通道2，則按下相應的按鈕，選好后按鈕會發綠光，注意此時要保證其他3個按鈕在未選狀態，其中右邊的兩個旋鈕為通道2的Volt/div旋鈕和垂直POSITON旋鈕；S/div為水平控制，用于改變掃描時間刻度，以便在水平方向放大或縮小波形。

b.選好通道以后進行基本參數設置，其中設置菜單均在屏幕右邊，并使用旁邊對應的5個藍色按鈕來選擇要設置的項。進入二級菜單時使用萬能旋鈕，通過旋轉使光標鎖定在所需項，這時按下萬能旋鈕來確定，再查看所選項是否正確,操作步驟如下：

a)若選用通道2，在參數設置中耦合選為“交流”、帶寬限制選為“開啟”、反相選為“關閉”、數字濾波選為“關閉”，其他不需特別設置。

b)點擊TRIG MENU按鈕，屏幕右邊出現一列菜單，其中觸發類型選為邊沿、信源選為通道2，觸發方式為自動，斜率選第一項。

c)點擊DISPLAY按鈕，菜單中類型為“矢量”、持續選為“關閉”、格式為“YT”、屏幕選擇“反相”時其背景色為白色，如果要打印波形，建議選擇反相，可節省墨量；菜單顯示無限、界面方案可根據喜歡的顏色來選擇。

d)UTILITY設置，即設置打印方式。注意：后USB口選為打印機，打印設置中的打印鈕設為打印圖像，其他可根據情況自行設定。

e)點擊ACQUIRE按鈕，其中獲取方式為平均值，平均次數有4、16、32、64、128、256 6種選擇。一般情況下建議使用32次，數值越大波形越穩定，測量值越精確；但次數越大波形達到穩定的時間越長，需要等待幾秒鐘。Sinx/x選擇開啟，采樣方式為實時采樣。

f)點擊CURSORS光標，模式為手動測量。在手動測量菜單里，類型選擇“時間”，信源選擇通道2；通過調整光標CurA、CurB來調整取值范圍，兩條光標之間的部分為所取壽命范圍，左上角的ΔT為壽命值。

c.調節波形。通過旋轉水平Volt/div及垂直S/div旋鈕來調節波形的大小。其中Volt/div分為粗調和細調，按一下旋鈕則變為細調狀態，再按一下即可恢復粗調。當信號波形閃爍不穩定時可調觸發電平來改善波形，按下觸發電平旋鈕，屏幕最左邊的“2→（通道2信號）”將和“T→（觸發電平）”重合，此時旋轉觸發電平使其“T→白線”位于波形范圍內。

學院___________專業___________

班級___________姓名___________學號___________

非平衡少數載流子壽命測試實驗報告

1.實驗目的

2.實驗原理

3.實驗方法

4.實驗結果

（1）請繪制出標準單晶硅樣品的少數載流子壽命波形曲線。

（2）請繪制出標準多晶硅樣品的少數載流子壽命波形曲線。

（3）請繪制出自有多晶硅樣品的少數載流子壽命波形曲線。

（4）請簡述單晶硅和多晶硅樣品在少數載流子測量結果上的差異表現，并對原因進行簡要分析。