Обнаружение неравновесных носителей заряда

Избыточные электроны и дырки могут быть также зарегистрированы с помощью p-n перехода. Когда вблизи него появляются избыточные носители заряда, то электрическое поле, существующее внутри перехода, затягивает электроны в n-, а дырки - в р-область (рис.7).

Поэтому при разомкнутой цепи n-область заряжается отрицательно, а p-область - положительно, то есть в p-n переходе возникает ЭДС. При замыкании цепи в ней возникает ток. p⁺-n переход может быть создан, например, например, диффузией бора в кремний через окно в SiO₂ (рис.7). В качестве p-n перехода можно также использовать контакт металлического зонда с полупроводником, в особенности после «формовки» его импульсами достаточно сильного тока. Причины образования p-n перехода в этом случае могут быть различными: диффузия материала проволоки внутрь полупроводника, изменение концентрации электрически активных примесей при местном разогреве вследствие формовки (образование так называемых термодоноров или термоакцепторов). Для увеличения потенциального барьера в p-n переходе и усиления процесса разделения неравновесных электронов и дырок к нему прикладывают отрицательное напряжение (рис.8).

Порядок выполнения работы

Блок-схема макета установки представлена на рис.8. Объектом измерений служит часть кремниевой пластины со сформированными в ее приповерхностном слое локальными диффузионными p-n переходами (p⁺-n переходами).

1. Включите осциллограф, генератор и источник напряжения и дайте им прогреться в течение 30 мин.

2. Проверьте, что коммутация блоков макета установки соответствует блок-схеме.

3. Проверьте, что переключатель на блоке синхронизации осциллографа установлен в положение «ВНЕШ. 1:1».

4. Установите следующие параметры выходного импульса с помощью органов управления генератора (примерно):

5. период повторения импульсов – не менее 300 мкс;

6. длительность импульсов – около 10 мкс;

7. амплитуда импульсов – 20 В.

8. Установите органы управления осциллографа в положения, соответствующие параметрам подаваемых импульсов.

Примечание: начальные установки (пункты 1 – 5) уже могут быть произведены до начала работы, поэтому необходимо проверить их выполнение. При необходимости подключите выход генератора к входу осциллографа и добейтесь появления на экране осциллографа устойчивой осциллограммы импульсов напряжения.

9. Включите напряжение на выходе генератора. Увеличивая амплитуду импульсов напряжения, подаваемых на полупроводниковый лазер, добейтесь появления светового пятна на поверхности пластины.

10. Вращением ручки микрометра установите световое пятно как можно ближе к p-n переходу и получите на экране осциллографа осциллограмму сигнала от образца, снимаемого с измерительного сопротивления R _изм,получите максимальную амплитуду сигнала фотоответа. Момент совпадения светового пятна с p-n переходом определяется по максимальному значению напряжения D U.

11. Вращением ручки микрометра установите световое пятно как можно ближе к p-n переходу и получите на экране осциллографа осциллограмму сигнала от образца, снимаемого с измерительного сопротивления R _изм,получите максимальную амплитуду сигнала фотоответа. Момент совпадения светового пятна с p-n переходом определяется по максимальному значению напряжения D U.

12. Вращая ручку микрометра отведите световое пятно на такое расстояние, чтобы сигнал стал почти равен нулю, при этом показания микрометра будут соответствовать начальной координате х ₀.

13. Вращая ручку микрометра, сместите световое пятно на расстояние равное примерно половине расстояния x ₀ светового пятна от р-п перехода.

Примечание. Если используется двухлучевой (двухканальный) осциллограф, то на его экране можно наблюдать следующую осциллограмму: одна трасса - контрольный сигнал, соответствующий световым импульсам, и вторая трасса - сигнал отклика фотопроводимости. Изучение и измерение параметров кривой спада сигнала фотопроводимости (участок b второй трассы) позволяет определить время жизни неосновных носителей, генерируемых импульсным светом. Вид осциллограмм приведен на рис.8.

14. Сигнал, пропорциональный спаду фотопроводимости (участок кривой b на рис.9,б), растяните практически на весь экран осциллографа (рис.10).

15. Измерьте зависимость напряжения D U от времени D t в области спада фотопроводимости. Результаты измерений запишите в следующую таблицу.

Таблица результатов измерений

D t, мкс
D U, В

Рис.9. Импульсы света (а) и соответствующие сигналы фотопроводимости (б). b - измеряемый участок спада фотопроводимости.

Рис.10. Зависимость сигнала, пропорционального фотопроводимости, от времени.

Расчет времени жизни

Расчет времени жизни производится в Exel. Запускающий ярлык – «Время жизни 1», Путь к этому ярлыку: Рабочий стол \ папка «Лаб.работы» \ папка «ФТТ и ПП». После запуска на экране видеомонитора появляется в Exel следующие таблица и графики. Введите в соответствующие ячейки номер группы (ячейка B3), бригады (ячейка E3) и дату проведения лабораторной работы (ячейка H3).

Заполните колонки таблицы D t и D U, для чего введите в ячейки A7 – A17 - значения времени D t (в мкс), а в ячейки B7 – B17 соответствующие им значения D U (в мВ). Exel рассчитает в ячейках C7 – C17значения ln(D U)и построит графики зависимостейD U =f(D t) и ln(DU)=f(D t).

Пользуясь специальной вставкой, скопируйте значения D t из ячеек A7 – A17 в ячейки D7 – D17 и значения ln(D U) из ячеек C7 – C17 в ячейки E7 – E17.

При необходимости измените масштаб осей графиков таким образом, чтобы полученные кривые занимали большую часть площади окна диаграммы.

Субъективно оцените по нижнему графику интервал значений D t, в котором часть этого графика зависимости ln(DU)=f(D t)можно аппроксимировать отрезком прямой. Удалите в столбцах D и E значения D t и DU, соответствующие точкам, не лежащим на этой прямой. На графике оставшиеся точки будут соединены отрезком прямой. На графике оставшиеся точки будут соединены отрезком прямой. Уравнение этой прямой в виде y=a* D t+b и коэффициент регрессии r будут приведены на графике.

В ячейке B23 разделите 1 на коэффициент при x (D t) и получите значение времени жизни.

Строки, которые не заполнены данными, можно удалить.

Сохраните на жестком диске файл результатов измерения и отпечатайте результаты на принтере.

 

Требования к отчету о лабораторной работе.

Отчет о должен содержать следующее.

1) Краткий конспект описания лабораторной работы с основными аналитическими зависимостями и графиками, используемыми при проведении лабораторной работы, блок-схему макета измерительной установки и методику определения диффузионной длины.

2) Полученную в работе осциллограмму - зависимость сигнала, пропорционального фотопроводимости, от времени.

3) Таблицу результатов измерений и результаты расчета диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей.

Требования техники безопасности.

При выполнении работы по настоящей методике существует опасность поражения электрическим током. Для предупреждения поражения электрическим током необходимо соблюдать «Инструкцию № 26-09 по охране труда при.выполнении работ на электроприборах, электроустановках в помещениях лаборатории кафедры КФН».

Контрольные вопросы

1) Дайте определения основных понятий: генерация: рекомбинация, захват, равновесная концентрация, избыточная концентрация; неравновесная концентрация и др.

2) Объясните понятия: низкий, высокий, средний уровень инжекции; время жизни.

3) Уравнение непрерывности, время жизни.

4) Каким образом устанавливается электронейтральность в полупроводниках? Максвелловское время релаксации.

5) Механизмы рекомбинации носителей заряда в полупроводниках по способу перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону.

6) Механизмы рекомбинации носителей заряда в полупроводниках по способу передачи энергии рекомбинирующих частиц.

7) При каком положении уровня ловушек время жизни максимально?

8) В каких полупроводниках преобладает рекомбинация через ловушки а в каких - прямая рекомбинация?

9) При каких условиях времена жизни электронов и дырок равны?

10) Как зависит время жизни при рекомбинации через ловушки от концентрации легирующей примеси?

11) Как зависит время жизни от уровня инжекции?

12) Как зависит время жизни при рекомбинации через ловушки от температуры?

13) Теория рекомбинации Шокли-Рида-Холла.

14) Определить время жизни неосновных носителей заряда в германии при условии существования параллельно двух механизмов рекомбинации, первый из которых из которых дает время жизни примерно 1 мкс, а второй – 25 мкс.

15) Метод спада фотопроводимости

16) Методика измерения времени жизни методом спада фотопроводимости.

17) Макет установки для определения времени жизни, назначения блоков.

Литература

Основная литература.

2) К.В.Шалимова. Физика полупроводников. 4-е изд., «Лань», Москва, 2010.

3) Гуртов В. А., Осауленко Р. Н., Физика твердого тела для инженеров, Москва: «Техносфера», 2007.

4) А. И. Ансельм. Введение в теорию полупроводников. «Лань», Санкт-Петербург, 2008.

Дополнительная литература.

1. Г.И.Епифанов. Физические основы микроэлектроники. «Советское радио», М., 1971.

2. Специальный практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам. Под редакцией проф. К.В.Шалимовой, Государственное энергетическое издательство, Москва, Ленинград, 1962.

3. В.Л.Бонч-Бруевич, С.Г.Калашников. Физика полупроводников. Москва, «Наука», 1977.