Метод 1: спада фотопроводимости.

Блок-схема макета установки измерения времени жизни неосновных носителей заряда методом спада фотопроводимости представлена на рис.11.

Состав установи: 1 – генератор парных импульсов Г5-63, 2 – осциллограф TDS 2012B Tektronix (или TDS 2014B), 3 - источник питания типа ТЕС 21 (или другой), 4 - устройство зондовое с размещенным на его столике образцом.

Объектом измерений служит часть кремниевой пластины со сформированными в ее приповерхностном слое локальными диффузионными p-n переходами (p⁺-n переходами).

Подготовка к работе.

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 (рис.11).

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

- период повторения импульсов – не менее 300 мкс;

- длительность импульсов – около 10 мкс;

- амплитуда импульсов – около 30 - 40 В.

4. Включите выход генератора и нажмите на лицевой панели осциллографа клавишу «Автодиапазон».

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.

5. Увеличивая амплитуду импульсов напряжения, подаваемых на полупроводниковый лазер, добейтесь появления светового пятна на поверхности пластины.

6. 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. Совпадение светового пятна с p-n переходом определяется по максимальному значению амплитуды импульса напряжения D U.

7. Вращая ручку микрометра отведите световое пятно на такое расстояние, чтобы сигнал стал почти равен нулю.

8. Вращая ручку микрометра, сместите световое пятно на расстояние равное примерно половине расстояния x ₀ светового пятна от p-n перехода.

Примечание. Изучение и измерение параметров кривой спада сигнала фотопроводимости (участок b) позволяет определить время жизни неосновных носителей, генерируемых импульсным светом. Вид осциллограмм приведен на рис.12.

9. Используя органы управления осциллографа (переключатели усиления по горизонтальной и вертикальной осям) и генератора (ручка «АМПЛИТУДА U V», растяните сигнал, пропорциональный участку спада фотопроводимости (участок кривой b на рис.12,б) практически на весь экран осциллографа (рис.13).

Проведение измерений.

Используя органы управления осциллографа (клавиши «Курсор») измерьте зависимость напряжения D U от времени D t в области спада фотопроводимости. На рис.13 показано измеренное значение падения напряжения на резисторе R_изм (174 мВ) через D t =1 мкс от начала спада фотопроводимости.

Результаты измерений запишите в таблицу 2 или сразу вводите в компьютер (рис.14).

Таблица 2

D t, мкс
D U, В

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 (рис.14). 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 величина достоверности аппроксимации R² будут приведены на графике.

В ячейке B23 разделите 1 на коэффициент a 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 (таблицу данных и график на принтере).

6.2. Метод 2: модуляции проводимости точечного p⁺-n перехода.

Макет установки измерения времени жизни неосновных носителей заряда методом модуляции проводимости точечного p⁺-n перехода собирается из блоков макета, использованного в предыдущем методе. Блок-схема макета установки представлена на рис.15. Состав установки: 1 – генератор парных импульсов Г5-63, 2 – осциллограф TDS 2012B Tektronix (или TDS 2014B), 3 – образец для измерений, содержащий два точечных диода.

Объектом для измерений служат кремниевый и германиевый «точечные» диоды, последовательно с которым включен резистор, сопротивление которого составляет около 390 Ом. Эта сборка размещена в специальном боксе и подключена к коаксиальным разъемам на его лицевой панели. Парные импульсы с выхода генератора подаются через резистор на диод, включенный в прямом направлении. Резистор служит для обеспечения режима генератора тока. Импульсы напряжения на диоде наблюдаются на экране осциллографа. Синхронизация работы генератора и осциллографа осуществляется по переднему фронту входных импульсов.

Подготовка к работе.

1. Переключите выход генератора парных импульсов с полупроводникового лазера на блок 3.

2. Переключите генератор на работу парными импульсами.

3. Включите осциллограф и дайте ему пройти самотестирование.

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

- период повторения импульсов – около 300 мкс;

- длительность каждого из двух импульсов –5 - 10 мкс;

- время задержки второго импульса относительно первого – около 10 – 20 мкс;

- амплитуда импульсов – 2 – 5 В.

5. Добейтесь появления на экране осциллографа устойчивой осциллограммы двух импульсов напряжения (рис.16 а). Убедитесь в том, что параметры импульсов с выхода генератора: период повторения парных импульсов, их длительность, амплитуда и время задержки второго импульса относительно первого могут быть регулируемы.

6. Отключите вход осциллографа от выхода генератора и соедините блоки макета измерительной установки в соответствии с блок-схемой.

Проведение измерений.

1. Получите на экране осциллографа два импульса напряжения на одном из диодов (рис.16 б). При необходимости измените настройки выходных импульсов генератора.

2. Измерьте амплитуду U ₀ воздействующего (первого) импульса и запишите ее в протокол измерений (таблица 1).

3. Изменяя время задержки между импульсами D t, измеряйте амплитуду тестирующего (второго) импульса напряжения U ₁ (рис.16 б) для пяти – десяти интервалов времени D t между окончанием первого импульса и началом второго импульса. Результаты измерений запишите в протокол измерений (таблица 3) или сразу вводите в компьютер (рис.17).

Таблица 3

Диод	U 0, В	№пп	D t, мкс	U 1, В

4. Подключите с помощью переключателя второй диод и произведите те же действия.

Расчеты и построение графиков производятся в Exel (запускающий ярлык: рабочий стол\ «Лабораторные работы\ «ФТТ и ПП»\ ярлык «Время жизни 2»).

После загрузки файла «Время жизни.xls» на экране видеомонитора появляется следующая таблица (рис.17).

В соответствующие ячейки этой таблицы введите номера группы и бригады и дату проведения работы. В ячейку B6 введите значение амплитуды напряжения первого импульса U ₁. В ячейки B8 – B17 введите значения интервалов времени D t, а в ячейки C8 – C17 - соответствующие им значения амплитуд второго импульса напряжения U ₂.

Компьютер рассчитывает D U – ячейках D8 – D17, ln(D U) – в ячейках E8 – E17 и F8 – F17 и строит графикln(D U) = f(D t). График аппроксимируется линейной функцией y=Ax+B, где x =D t, y =ln(D U). Эта функция и квадрат коэффициента регрессии отображаются в поле графика. Если значение R ² менее 0.95, то следует удалить из ячеек F8 – F17 значения D U, соответствующие точкам графика, которые плохо ложатся на прямую y=Ax+B. Величина, обратная этому коэффициенту A - искомое время жизни. Введите значение A в ячейку G8. В ячейке H8 будет вычислено значение времени жизни t.

По завершении обработки результатов измерения первого диода отпечатайте полученную таблицу с графиком. Затем удалите данные из ячейки B6 и ячеек B8 – B17 и C8 – C17 и произведите необходимые расчеты и построение графика для второго диода.

Требования к отчету о лабораторной работе.

Отчет должен содержать следующее.

1) Краткий конспект описания лабораторной работы, содержащий основные определения, аналитические зависимости и графики, используемые при проведении лабораторной работы; методики определения времени жизни с блок-схемами макетов измерительных установок (у каждого студента).

2) Протокол измерений по методу 1 (один на бригаду), состоящий из следующих пунктов.

- Параметры импульсов напряжения на выходе генератора: амплитуда U _имп [В], длительность t [мкс] и период T.

- Вид осциллограммы импульса напряжения D U =f(t).

- Таблицу результатов измерений (таблицу 1).

- Таблицу результатов измерений, график зависимости lnD U =f(t) (рис.14) и результаты расчета времени жизни неосновных носителей, проведенного в Exel, отпечатанные на принтере.

3) Протокол измерений по методу 2 (один на бригаду), состоящий из следующих пунктов.

- Параметры импульсов напряжения на выходе генератора: амплитуда U_имп [В], длительность t [мкс] и период T.

- Таблицу результатов измерений (рис.17), график зависимости lnD U =f(D t) (рис.14) и результаты расчета времени жизни неосновных носителей, проведенного в Exel, отпечатанные на принтере.

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: уровень инжекции: низкий, высокий и средний; 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» 1 мкс, а второй –»25 мкс.

15) Определите время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике, если их установившаяся концентрация при воздействии источника возбуждения составляет Δ n =5·10¹³ см^-3, а начальная скорость уменьшения избыточной концентрации при отключении источника 1·10¹⁸ cм^-3 с^-1. Найдите избыточную концентрацию Δ n через время Δ t =80 мкс после выключения источника возбуждения.

16) Определите время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике, если их установившаяся концентрация при воздействии источника возбуждения составляет Δ n =1·10¹⁴ см^-3, а начальная скорость уменьшения избыточной концентрации при отключении источника 5·10¹⁷ cм^-3 с^-1. Найдите избыточную концентрацию Δ n через время Δ t =180 мкс после выключения источника возбуждения.

17) Определите время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике, если их установившаяся концентрация при воздействии источника возбуждения составляет Δ n =3·10¹³ см^-3, а начальная скорость уменьшения избыточной концентрации при отключении источника 9·10¹⁶ cм^-3 с^-1. Найдите избыточную концентрацию Δ n через время Δ t =400 мкс после выключения источника возбуждения.

18) Метод спада фотопроводимости.

19) Методика и макет установки измерения времени жизни методом спада фотопроводимости.

20) Метод модуляции проводимости точечного контакта.

21) Методика и макет установки измерения времени жизни методом модуляции проводимости точечного контакта.

Основная литература.

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

2. Г.И.Епифанов. Физика твердого тела. 4-е изд., «Лань», Москва, 2011.

Дополнительная литература.

1. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. Учеб. пособие для физ. спец. вузов, М. Наука 1990.

2. Е.С.Анфалова. Методы измерения параметров полупроводников и полупроводниковых структур. Учебное пособие. Москва 2005.

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