反转恢复法测少子寿命

实验室和教师介绍

  • 实验室:物理楼245
  • 指导教师:陆昉
  • 联系人:乐永康
  • 实验者:邵剑

实验任务

  • 搭建系统;
  • 实现实验功能;

实验室提供器材

  • 数字示波器;

HP 54600B oscilloscope

示波器.jpg

  • 脉冲信号发生器;

Agilent 33220A 20MHz Function/Arbitrary waveform generator

信号发生器.jpg

  • 二极管等元器件;

背景介绍

PN结(PN junction)

采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。

一块单晶半导体中,一部分掺有受主杂质是P型半导体,另一部分掺有施主杂质是N型半导体时,P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结,由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。

P型半导体:由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成,会在半导体内部形成带正电的空穴。 N型半导体:由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成,会在半导体内部形成带负电的自由电子。

在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下,空穴是可以移动的,而电离杂质(离子)是固定不动的。N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时,在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散,电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合,载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子,却有分布在空间的带电的固定离子,称为空间电荷区。P 型半导体一边的空间电荷是负离子,N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场,这电场阻止载流子进一步扩散,达到平衡。

在PN结上外加一电压,如果P型一边接正极,N型一边接负极,电流便从P型一边流向N型一边,空穴和电子都向界面运动,使空间电荷区变窄,电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极,P型一边接负极,则空穴和电子都向远离界面的方向运动,使空间电荷区变宽,电流不能流过。这就是PN结的单向导性。PN结加反向电压时,空间电荷区变宽, 区中电场增强。反向电压增大到一定程度时,反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流,则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种,即隧道击穿和雪崩击穿。 PN结加反向电压时,空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变。   

根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同,利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。如利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管,利用击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管;利用高掺杂PN结隧道效应制作隧道二极管;利用结电容随外电压变化效应制作变容二极管。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管;利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器;利用光生伏特效应可制成太阳电池。此外,利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大,振荡等多种电子功能。PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心,是现代电子技术的基础。在二级管中广泛应用。

PN结的平衡态,是指PN结内的温度均匀、稳定,没有外加电场、外加磁场、光照和辐射等外界因素的作用,宏观上达到稳定的平衡状态.

PN结的工作原理

PN结的形成:在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差

多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区

空间电荷区形成形成内电场

↓ ↓

内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层。

——摘自:百度百科-PN结




载流子寿命(lifetime of carriers)

非平衡载流子在复合前的平均生存时间,是非平衡载流子寿命的简称。在热平衡情况下,电子和空穴的产生率等于复合率,两者的浓度维持平衡。在外界条件作用下(例如光照),将产生附加的非平衡载流子,即电子—空穴对;外界条件撤消后,由于复合率大于产生率,非平衡载流子将逐渐复合消失掉,最后回复到热平衡态。非平衡载流子浓度随时间的衰减规律一般服从exp(-t/τ)的关系,常数τ表示非平衡载流子在复合前的平均生存时间,称为非平衡载流子寿命。在半导体器件中,由于非平衡少数载流子起主导作用,因此τ常称为非平衡少数载流子寿命,简称少子寿命。τ值范围一般是10-1~103μs。复合过程大致可分为两种:电子在导带和价带之间直接跃迁,引起一对电子—空穴的消失,称为直接复合;电子—空穴对也可能通过禁带中的能级(复合中心)进行复合,称为间接复合。每种半导体的r并不是取固定值,将随化学成分和晶体结构的不同而大幅度变化,因此,寿命是一种结构灵敏参数。τ值并不总是越大越好。对于Si单晶棒和晶体管的静态特性来说,希望τ值大些。但是,对于在高频下使用的开关管,却往往需要掺杂(扩散金),以增加金杂质复合中心,降低τ值,提高开关速度。近年来,在电力电子器件生产中,常用电子束辐照代替掺金,降低τ值。在Si和GaAs材料、器件和集成电路生产过程中,τ值是必须经常检测的重要参数。

——摘自:百度百科-载流子-载流子寿命

实验原理

反向时间恢复法

实验装置图:

反向恢复时间法实验图.jpg

信号发生器输出方波电压信号,通过观察接在电阻两端的示波器上电压信号的变化,就可得到流经二极管的电流变化情况,如下图所示。

二极管电流随时间变化图.jpg

二极管中的P-N结,在实验过程中经历正向注入和反向抽取的过程。当加上正向偏压时,PN结处于正向注入状态,PN结内部的势垒被外加电场所削弱,使得势垒区宽度减小,势垒高度从qVD降为q(VD-V)。势垒高度的降低允许多数载流子扩散通过PN结,以形成扩散电流。在此种情况下,P区中的空穴(空穴在P区中是多数载流子)通过势垒区扩散进入N区(成为少数载流子),在N区边界处形成空穴积累,并向N区内部扩散,此时在扩散区有非平衡载流子分布:
Delta P_n(x)=Delta P_n(x_0) exp[-(x-x_0)/L_n]

L_n为扩散系数,x_0为势垒区边界位置。

边界处注入的非平衡载流子浓度Delta P_n(x_0)为:
Delta P_n(x_0)=P_n(x_0)-P_n0=P_n0[exp(qV/kT)-1]

当电压突然变换成反向偏压导致势垒区电场加强,势垒区宽度加宽,在N区扩散区中累积的空穴一方面被反向电流抽取,另一方面通过复合消失。从正向偏压突变成反向偏压过程中,势垒区边界处累积少数载流子被抽取完之后,剩余的少子将在扩散复合过程中消亡,因此反向扩散电流也将呈现e指数衰减。如下图所示:

反向电流随时间变化示意图.jpg

图中I_f表示正向电流,I_r表示反向抽取电流,t_s,为反向抽取电流保持恒定的时间,也称为储存时间,t_r为反向电流衰减到最大值1/10时所需的时间。而t_h=t_s+t_r被称为反向恢复时间。在微观的物理图像上,正向注入达到饱和后,少数载流子空穴在N区的分布如左下图所示。在存储时间t_s中,势垒区边界处累积的少数载流子以恒定速度被抽出,在t_s时间结束后,边界处的少数载流子几乎耗尽,剩余的少数载流子分布如右下图所示。在之后的时间t中,分布在N区内部的空穴通过外加电流抽取或者扩散复合逐渐消失。

正反.jpg

由H.J.Kuno在《Analysis and Characterization of P-N Junction Diode Switching》中的推导可得:
t_s= tau_f[ln(1+I_f/I_r)-ln(1+tau_f/tau_r)] tau_r为一待定常数,由上式可知,把实验中测得的ln(1+I_f/I_r)以及存储时间t_s分别作为横纵坐标进行线性拟合,得到的斜率即为我们所求的少数载流子寿命。




阶跃回复法

当两极管加上正弦波电压E_p sin omega t时,其电流瞬态特性如下图(下图引自王渭源《用阶跃法测两极管载流子寿命》)所示。

阶跃法.jpg

理想的开关两极管没有反向电流,如(b)所示。但是当有电荷存储时,两极管在反向半波内有一个短暂的导通时间,然后突然截止,如(c)所示。但是当调整omega时,此时电流的瞬态特性会在(b)和(c)之间转换。而电流到达反向峰值并突然截止时储存的总电荷为零。

0<=omega tau <=0.30<=sin theta<=0.3时,有以下推导:
omega tau = i_pr/(E_p/R_c)

正向导通时:i_pf = E_p/R_c(1-phi_0/E_p)

两式相除可得:tau =(i_pr/i_pf)*(1-phi_0/E_p)/(2 pi f)

phi_0/E_p<<1时,可将上式简化:tau =i_pr/(i_pf*2 pi f)

上述各式中,tau是两极管载流子寿命,phi_0为两极管的正向压降,,R_c为回路的总阻抗。

实验内容

反向恢复时间法

按照原理电路连接仪器,并调整各参数(方波的正向偏压,反向偏压,频率),得到下图所示的图像。

反转示波器.jpg

固定反向偏压,改变正向偏压得到不同的图像,并记录数据。本实验中取反向偏压为-2.5V,频率为8kHz,正向偏压从5.0V至0.8V每隔0.2V测量一组数据。将各组数据做图并平移后得到如下图像:

红_反向时间法2.jpg

固定正向偏压,改变反向偏压得到不同的图像,并记录数据。本实验中取正向偏压为4.0V,频率为8kHz,正向偏压从-5.0V至-0.2V每隔0.4V测量一组数据。将各组数据做图并平移后得到如下图像:

红_反向时间法4.jpg

阶跃恢复法

将方波改成正弦波,选择合适的正向和反向偏压,并保持固定,调整频率,使图像成如下图所示。本实验去正向电压为2.0V,反向电压为——2.0V。

DSC01244.JPG

若将原始的正弦波与之叠加,可以发现其与原始波形的相位差,如下图所示。

DSC01247.JPG

参考资料

问题讨论

邵剑同学已经上传了了不少内容啊!赞! — 乐永康 2009/05/10 19:25
 
exp/minor_carrier_lifetime/start.txt · 最后更改: 2017/12/05 16:35 由 14307110042
 
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