măsurarea n3 Lab a duratei de viață a purtătorilor de sarcină de neechilibru
Obiectiv: Familiarizarea cu metoda de măsurare a duratei de viață a purtătorilor de sarcină de neechilibru. durată de viață de măsurare a timpului de purtători de neechilibru în probele de siliciu semiconductor.
1. neechilibru purtători de sarcină în p / n și parametrii acestora.
Una din condițiile necesare pentru apariția unui curent electric în materialul semiconductor este existența electronilor în banda de conducție sau găurile - în banda de valență. Deoarece starea unui electron în banda de conducție la un strat inferior liber disponibil este nefavorabil energetic, atunci electronul va tinde să se mute la nivelul gol. Prin urmare, concentrația de purtător constantă poate fi menținută doar mecanismul continuu replenishes electroni (găuri) ale benzii de conducție (banda de valență) în locul menționat de taxele ei pe nivelele donatorilor în banda de valență, etc.
Un astfel de mecanism este vibrațiile termice ale rețelei cristaline a semiconductorului. Energia de oscilație este transferată electroni, rezultând în transferul (generarea) a acestuia din urmă în banda de conducție (sau în starea în nivelurile acceptor). Concomitent cu acest proces este inversat, recombinarea electroni și găuri. La echilibru termodinamic generarea și recombinarea apar cu o intensitate egală, astfel încât densitatea de purtători ai ambelor semne - concentrație de echilibru - rămâne constantă. Deoarece temperatura în jurul volumul constant eșantionului, concentrația de echilibru a transportatorilor într-un semiconductor omogen nu depinde de coordonate, sau la timp.
Alături de fluctuațiile termice pot fi alte procese, îmbogățind banda de conducție electronică (bandă de valență - găuri) .., cum ar fi injectarea de electroni (sau gauri) generate de lumină etc. Cu toate acestea, în contrast cu căldura echilibrului generat în timp ce purtătorii pot fi localizate în o cantitate limitată de semiconductoare. In plus, ele pot apărea din cauza absorbției directe a energiei. Prin urmare, „temperatura“ a electronilor este deasupra temperatura crește cu zăbrele și numărul lor. După terminarea excitației extern este redus echilibrului termodinamic între subsisteme electronice și rețeaua cristalină. Acest lucru se realizează atât datorită recombinării electron-gol și datorită interacțiunii purtătoare cu zăbrele. Emoționat astfel de „străine“ efecte, electroni și găuri sunt numite purtători de sarcină non-echilibru. Ele pot să apară într-un semiconductor intrinsec, și în semiconductori n - și p-tip.
Parametrii purtători de sarcină neechilibru caracterizează proprietățile electrice ale materialului semiconductor și determină în mare măsură capacitățile sale în fabricarea dispozitivelor semiconductoare. În plus, măsurarea acestor parametri este un instrument important pentru studierea materialelor semiconductoare.
Parametrii includ neechilibru purtători de sarcină în derivă mobilitatea, coeficientul de difuzie și lungimea de difuzie, iar rata de recombinare de suprafață pe viață.
In multe cazuri, parametrii purtători de sarcină neechilibru caracterizează purtători minoritari, taxa, adică. E., Electronii din tip p semiconductor și găuri în semiconductori de tip n.
Distribuția purtătorilor de sarcină de neechilibru într-un eșantion semiconductor, variația în timp și spațiu, descris de un sistem de ecuații de continuitate cu condiții inițiale și la limită pe suprafață, care include toate opțiunile. Prin urmare, metodele de determinare a acestor parametri se bazează pe soluția ecuațiilor relevante de continuitate cu unele ipoteze simplificatoare. Analizeaza parametrii de comunicare purtători de neechilibru cu parametrii esențiali și purtători de sarcină de neechilibru.
Să luăm în considerare în primul rând procesele care au loc în proba de semiconductoare, care se află sub o concentrație omogenă a purtătorilor de sarcină în exces.
În absența unui gradient de câmp și de concentrare electrică a variației în timp a concentrației purtătoare prin procesele de generare și recombinare este descrisă de următoarele ecuații:
în care n, p - concentrația de excesul de electroni și găuri;
n. p durata de viață a electronilor în exces și găuri;
gn. gp - rata de generare de electroni în exces și găuri;
Prin concentrarea de purtători de sarcină în exces înseamnă că o parte din concentrația totală de electroni liberi n p sau găuri. care este excesul de concentrația termodinamică de echilibru a transportatorilor și nu po, și anume:
Durata de viață purtător de sarcină neechilibru numit timpul mediu determinate de procesul de recombinare în timpul căreia există liber exces purtător de sarcină.
Dacă presupunem că n viață și p - constante și gn. gp nu depinde de timp, ecuațiile (1) și (2), în cazul procesului staționar iau forma următoare:
în cazul în care nct și pct - vieți staționare ale purtătorilor de sarcină de neechilibru.
În general, valoarea staționară și concentrațiile nct pct depind de natura mecanismului de recombinare într-un semiconductor și nu sunt egale între ele. De aceea nct pct chiar dacă generarea de perechi purtătoare de încărcare are loc și gn = gp. Cu toate acestea, în cazul special în care nici o captură capcane purtători liberi de sarcină sau este lipsită de importanță, nct = pct și nct = pct rol impurități în aceste procese este scăzută, de exemplu, atunci când nivelurile de impurificare sunt situate în apropierea marginilor benzilor permise și în consecință modificare a concentrației de electroni la aceste niveluri, este practic imposibil, sau la o concentrație mică de impurități. Aceste condiții sunt adesea puse în aplicare în materiale semiconductoare, cum ar fi germaniu și siliciu.
Astfel, atunci când nct = pct concentrația de scădere a purtătorilor de sarcină în exces la momentul generării rezilierea poate fi descrisă printr-o expresie de forma:
și este un singur exces durata de viata de perechi electron-gol. Astfel, dependența concentrației purtătoare a primit (conductivitatea probei) în funcție de timp în timpul recombinarea lor poate determina durata de viață a transportatorilor neechilibru.