Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

диффузионная длина, скорость поверхностной рекомбинации и время жизни. Во многих случаях параметры неравновесных носителей заряда характеризуют неосновные носители заряда, т.е. электроны в полупроводниках р-типа и дырки в полупроводниках n-типа.

Распределение неравновесных носителей заряда в полупроводниковом образце, его изменение в пространстве и во времени описываются системой уравнений непрерывностей с начальными и граничными условиями на поверхности, в которые входят все перечисленные параметры. Поэтому методы определения этих параметров основаны на решении соответствующих уравнений непрерывности с некоторыми упрощающими предположениями.

3.2. Методы измерения дрейфовой подвижности

Прежде чем рассматривать методы измерения дрейфовой подвижности кратко рассмотрим различные типы подвижности:

1.Микроскопическая подвижность – подвижность,

которую свободные носители имеют в действительности.

2.Подвижность по электрической проводимости, т.е.

подвижность, вычисляемая из равенства = /nе, практически идентична с микроскопической подвижностью.

3.Дрейфовая подвижность – скорость дрейфа носителя

вэлектрическом поле, деленная на единицу напряженности поля. Дрейфовая подвижность совпадает с микроскопической подвижностью только тогда, когда отсутствует захват носителей. Если, например, носитель свободен в течение половины своего времени жизни, а в остальное время захвачен ловушкой, то дрейфовая подвижность равна по величине половине микроскопической подвижности.

4.Холловская подвижность - произведение коэффициента Холла на проводимость.

96

5. Подвижность по фотопроводимости – подвижность,

вычисленная из скорости фотоотклика, обычно при условии, что электрическая проводимость образца обусловлена носителями одного типа. Если измерения проводятся при достаточно высоких интенсивностях света, когда ловушки не влияют на перенос носителей заряда, то подвижность по фотопроводимости совпадает с микроскопической подвижностью. При малых интенсивностях света, когда ловушки существенно влияют на скорость фотоотклика, измерения фотопроводимости дают величины дрейфовой подвижности.

Методы измерения дрейфовой подвижности неравновесных носителей заряда основаны на регистрации дрейфа избыточных носителей заряда в электрическом поле и различаются лишь способами его регистрации в некоторой точке образца.

Впервые измерения дрейфовой подвижности были выполнены Хайнсом, Пирсоном и Шокли в 1949 г. Схема измерительной установки их метода показана на рис. 3.1. Образец германия, предназначенный для измерения, представляет собой нитевидный прямоугольный образец. На поверхности образца на расстоянии ℓ установлены два вольфрамовых зонда.

Рис. 3.1. Схема для измерения дрейфовой подвижности

97

Образец закрепляется на столике микроскопа. Установку вольфрамовых зондов производят с помощью винтовых устройств, расстояние между зондами измеряют по шкале микроскопа. Один из зондов служит эмиттером Э и предназначен для инжекции неосновных носителей заряда в образец, другой – коллектором К и необходим для регистрации дрейфа избыточных носителей заряда. Оба контакта должны обладать выпрямляющими вольтамперными характеристиками. При протекании тока через выпрямляющий контакт, включенный в прямом направлении, осуществляется инжекция неосновных носителей заряда. Одновременно с возрастанием концентрации неосновных носителей заряда появляются основные носители, обеспечивающие электронейтральность.

К коллекторному зонду приложено напряжение от батареи Б в запирающем направлении. Ток коллектора пропорционален концентрации неосновных носителей заряда. Если в результате дрейфа импульс избыточных носителей заряда дойдет до коллектора, то ток коллектора возрастает, и это увеличение тока будет пропорционально концентрации неосновных избыточных носителей заряда.

Схема работает следующим образом. В цепь коллектора включено последовательно сопротивление нагрузки Rн, падение напряжения на котором пропорционально току коллектора. Напряжение с сопротивления нагрузки подается на схему регистрации, состоящую из дифференциального усилителя У и импульсного осциллографа О. На экране осциллографа можно наблюдать осциллограмму коллекторного тока и по меткам времени определять время дрейфа неосновных носителей от эмиттера к коллектору «t», которое связано с подвижностью соотношением

где U – приложенное к образцу напряжение.

98

В некоторый момент времени t = 0 от генератора Г1 через торцевые омические контакты подается импульс напряжения прямоугольной формы, который создает в образце электрическое поле Е (рис. 3.2). Через некоторый интервал времени t, соответствующий времени задержки, от генератора Г2 на эмиттерный контакт подается импульс тока прямоугольной формы, который инжектирует неосновные носители заряда в объеме исследуемого образца. Избыточные носители заряда начинают дрейфовать в электрическом поле, созданном в образце импульсом напряжения генератора Г1. К моменту времени tпр. передний фронт импульса носителей пройдет расстояние ℓ, достигнет коллектора и будет зафиксирован на осциллограмме.

В момент времени t2 импульс генератора Г2 окончится и дальнейшая инжекция носителей заряда прекратится. Однако неосновные носители, введенные в образец задним фронтом этого импульса, будут продолжать движение в сторону коллектора и достигнут его в момент tу. В течение времени, равного длительности (tу - tпр.) эмиттерного импульса, ток коллектора остается неизменным. В момент времени tу задний фронт импульса избыточных носителей уйдет за коллектор.

Подъем на осциллограмме в момент t = 0, t = t1 и cпад при t = t2 и t = t0 соответствуют импульсам от генераторов Г1 и Г2. Они фиксируются осциллографом потому, что вызывают падение напряжения на участке образца между коллектором и контактом, который включен последовательно в коллекторную цепь. Время дрейфа переднего фронта импульса инжектированных носителей до коллектора определяется из осциллограммы как время tпр – t1, а дрейфа заднего фронта,- как время tу - t2. Времена дрейфа носителей заряда, определенные таким образом, не равны друг другу. Это объясняется тем, что передний фронт импульса инжектированных носителей заряда дрейфует в электрическом поле, образованном совместно генераторами Г1 и Г2, а задний фронт импульса перемещается в поле, созданном генератором

99

Г1. Это электрическое поле можно измерить импульсным вольтметром в отсутствие инжекции, и потому вычисление подвижности производят по времени ухода носителей за коллектор.

uв

а)

t0 t

Iэ

б)

uк

в)

t

г)

t2 tу

Рис. 3.2. Осциллограммы:

а) импульса напряжения на образце б) импульса тока эмиттера

в) напряжение на коллекторе г) продифференцированного напряжения на коллекторе

100