Determinarea lungimii de difuzie și a duratei de viață a purtătoarelor de curent non-echilibru în semiconductori

LUCRAREA LABORATORULUI №7

Determinarea lungimii de difuzie și a duratei de viață a purtătorilor curentului de non-echilibru în germaniu prin metoda sondei mobile.

1. Difuzia și devierea electronilor și găurilor







În semiconductori, simultan cu procesul de excitare termică a electronilor, care conduce la trecerea electronilor în banda de conducere, se observă un proces de recombinare - revenirea lor la banda de valență. Starea de echilibru la o temperatură dată este realizată atunci când ratele de generare și de recombinare a transportatorilor sunt egale.

În consecință, o anumită concentrație de echilibru a electronilor și a găurilor corespunde fiecărei temperaturi dintr-un semiconductor dat.

Sub influența luminii sau a altor radiații, precum și în timpul injectării purtătorilor pe contactul de rectificare în volumul semiconductorului, concentrațiile de electroni și găuri cresc în comparație cu valorile lor de echilibru. Așa-numitele purtători de neechilibru (în exces) care au apărut sunt distribuite neuniform în volumul semiconductorului, care determină difuzia lor, datorită gradientului de concentrație.

Când se aplică un câmp electric extern, purtătorii participă și în direcția de mișcare, care se numește mișcarea de derivație.

În proiectarea și fabricarea dispozitivelor semiconductoare, acești parametri ai purtătoarelor de încărcătură de echilibru ca lungime de difuzie și durata de viață # 964; Astfel, triodele realizate dintr-un material cu o lungime mare de difuzie au un câștig mare de curent. Amploarea lungimii de difuzie depinde de cristale perfecte, iar designul dispozitivului și natura suprafeței prelucrării unui semiconductor. O metodă de determinare a lungimii de difuzie a purtătorilor minoritari și neechilibru și durata de viață a unei fotoelectric, care este folosit în această lucrare.

Metoda constă în iluminarea unui eșantion de semiconductor la o distanță diferită față de colector. Colectorul colectează purtătoarele de curent non-echilibru generate de lumină. Valoarea lungimii de difuzie și a duratei de viață este determinată de dependența semnalului de colector de distanța față de sonda luminoasă.

Există două cazuri de difuzie și derivă de purtători de neechilibru: unipolare, atunci când purtătorii exces de același semn ca și echilibrul și bipolare când echilibru și purtători de neechilibru ale semnului opus (de exemplu, injectarea de găuri de tip n semiconductor).

În primul caz, difuzia purtători de neechilibru în regiunea întunecată duce la perturbarea neutralității și apariția taxei de spațiu și câmpul. Acest câmp este îndreptat în așa fel încât să împiedice difuzia și să sporească în continuare devierea de la neutralitate. Ca rezultat al neutralității, este doar într-o zonă mică încălcată, definiția este -------------------------------------- -------------------------------------------------- -------------------------------------------------- Lungimea ecranului utilizat este lE. Difuzia se extinde, de asemenea, la aceeași regiune mică (pentru Ge și Si raza de ecranare este de 10 -4-10 -6 cm). Și cu atât mai mult conductivitatea electrică a eșantionului.

În al doilea caz, adică în prezența transportatorilor de două mărci, o marcă purtătoare de difuzie determină datorită „aspirație“ mișcare la neutralitate de către transportatorii de semn opus în aceeași direcție pentru a compensa taxa de spațiu generate. De exemplu, dacă la o anumită regiune a electronice semiconductor care efectuează administrate în orice mod gaura (care în acest caz sunt purtători minoritari), există o deviere de la neutralitate în acest domeniu sunt eliminate datorită „retracteze“ în această regiune purtătorul majoritar, adică electroni.

Cu o concentrație suficient de mare a purtătorilor principali, redistribuirea și refacerea neutralității vor avea loc foarte ușor și pentru o perioadă scurtă de timp. În acest caz, difuzia purtătorilor minorităților practic nu împiedică redistribuirea și are loc ca difuzia particulelor neîncărcate.

Cu aplicarea unui câmp de tracțiune, transportatorii minoritari se comportă într-un mod ciudat; ele derivă în câmpul sub formă de particule încărcate, cu toate acestea, nu creează o taxă spațiu în zonele în care acestea apar datorită redistribuirii rapide a marilor transportatori.







Dacă injectarea se realizează cu lumină, perechile electron-gol generate prin absorbția radiației. În absența lipirea taxelor de un semn pe nivelurile de concentrație de impurități în exces de electroni și găuri sunt egale, astfel încât este suficient să spunem, la toate concentrațiile purtătorilor de neechilibru sau electroni sau găuri. La aplicarea driftului câmpului de conducere sau de alte mass-media va fi determinată de semnul tensiunii inverse pe colector. Ca fiecare secțiune a eșantionului ar trebui să fie asigurată condiția de neutralitate, care este, taxa de transport minoritar este întotdeauna compensată printr-o redistribuire corespunzătoare a transportatorii majore, aceasta înseamnă că, peste tot în cazul în care există purtători minoritari de neechilibru, are o concentrație egală de purtători majoritari neechilibru.

Distribuția concentrației purtătorilor de neechilibru în absența câmpului și în prezența unui câmp este prezentată în Figurile 1 și 2.

Să analizăm din punct de vedere cantitativ problema difuziei și derivei transportatorilor minoritari.

Calculele teoretice presupun:

a) timpul de purtători de sarcină asupra recombinarea la trap (sau ionizare) este semnificativ mai mică decât durata de viață medie, astfel încât aderența poate fi neglijată, adică având o constantă de injecție (fixă);

b) Recombinarea de suprafață este neglijabilă, astfel încât durata de viață măsurată este determinată prin recombinare în vrac semiconductor, iar transportatorii injectat se deplaseze în absența unui câmp în direcțiile radiale (Figura 3); În acest scop, suprafața probei expuse prin tratamente mecanice și chimice atent;

c) zona luminată și colectorul sunt suficient de departe de limitele laterale ale eșantionului, astfel încât reflexia suporturilor de încărcare de la limitele lor nu distorsionează rezultatele măsurătorilor. Această condiție este aproape îndeplinită, în cazul în care distanța de la cea mai apropiată limita a eșantionului la sonda de lumină și la colectorul la mai puțin de 1,5 ori lungimea de difuzie a purtătorilor minoritari;

d) O sondă de lumină sub forma unei benzi sau a unui punct cu muchii ascuțite trebuie să aibă dimensiuni foarte mici. Dacă colectorul este prea aproape de sonda luminoasă, atunci ipotezele privind lățimea relativ mică a zonei iluminate nu vor fi corecte. Pentru măsurători corecte este necesar ca distanța minimă dintre colector și spotul luminos să nu fie mai mică de cinci ori lățimea sondei luminoase;

unde g este rata de generare a purtătorului pe unitatea de volum (sub acțiunea luminii, raze X, ionizare termică etc.);

r este rata de recombinare a purtătorilor de neechilibru pe unitatea de volum;

1 / l ×Ñ ; 1 / l ×Ñ respectiv reprezintă fluxul de electroni și găuri prin suprafețele care limitează elementul de volum în cauză.


Deoarece suntem interesați de distribuția transportatorilor în exces în regiunea întunecată, am stabilit g = 0. Concentrațiile purtătorilor actuali n0 și p0 au tendința să atingă valorile de echilibru ale np și pn. Dacă purtătorii în exces n0 -np și p0 -pn sunt caracterizați prin durata de viață volumetrică # 964; n și Respectiv, atunci rata de recombinare a electronilor introduși în materialul de tip p este egală cu.


iar viteza de recombinare a găurilor injectate într-un semiconductor de tip n va fi

Deoarece purtătorii de neechilibru se mișcă sub acțiunea câmpului de tragere E și datorită difuziei (fluxul de difuzie este proporțional cu gradientul densității purtătoare), curentul total va fi egal cu

Astfel, pe baza (7) rezultă că concentrația de minoritate purtătorilor de sarcină echilibru scade odată cu creșterea distanței exponențial. Cantitatea l este numită în mod obișnuit lungimea strângerii / purtătorilor. Aceasta determină distanța la care concentrația purtătorilor de sarcină de echilibru scade cu un factor de e.

Considerăm cazul limitator al unei soluții de ecuație (7). Să presupunem că nu există câmp electric extern în semiconductor, adică E = 0. În acest caz, în conformitate cu (4), S = 0, atunci l = 10. Cantitatea 10 este lungimea așa numită "difuzie" a suporturilor de încărcare.

Aceasta este distanța la care concentrațiile purtătoarelor de încărcătură de echilibru care se propagă numai datorită difuziei în absența unui câmp electric extern scad cu un factor e ca rezultat al recombinării.

Pentru câmpurile electrice mici în volumul semiconductorului, după cum sa arătat mai sus, putem presupune că l = l0. Din considerat, se poate vedea modul de determinare a lungimii de difuzie a transportatorilor actuali 10 și a duratei lor de viață. Pentru a determina acest lucru, este necesar să se investigheze dependența lui p de distanța de-a lungul semiconductorului. Cu valoarea 10. cunoscând coeficientul de difuzie A, conform formulei (4), putem găsi valoarea # 964;

Una dintre metodele de determinare a concentrației purtătorilor de sarcină pentru neechilibru se bazează pe măsurarea curentului colector. În cazul punctului de contact curentul de colector, care este alimentat în direcția de închidere, este proporțională cu concentrația de neechilibru purtători de sarcină minoritari la locația de contact.

2. Descrierea procedurii de instalare și măsurare

În lucrare se utilizează un dispozitiv pentru măsurarea lungimii de difuzie a tipului de cristal lichid 78.05

Schema de instalare este prezentată în Fig. 4. Eșantionul este fixat în manipulator, care este o masă cu un suport de cip, care se deplasează în două direcții orizontale. Mișcarea longitudinală a probei este efectuată de motor. O revoluție a motorului corespunde cu 0,1 mm (un sfert din arborele manipulatorului). O sondă staționară de tungsten, care servește ca un colector, este presată pe proba în mișcare.

Suprafața eșantionului este iluminată de un fascicul îngust de lumină provenit de la lampă prin sistemul optic de focalizare. Un astfel de sistem de iluminare ne permite să reducem problema la una unidimensională, considerată mai sus, cu o aproximare cunoscută. Pentru a separa acea parte a curentului colector, care este cauzată de purtători de neechilibru, de componenta constantă, se aplică iluminarea prin impulsuri. Lumina este întreruptă de un disc rotativ cu găuri. Frecvența întreruperii luminii este aleasă astfel încât, în timpul perioadei în care eșantionul este întunecat, transportatorii minoritari se recombină complet.







Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare

Trimiteți-le prietenilor: