Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

освещении контакта или из-за неоднородности образца. Чтобы предотвращать эти ошибки, необходимо проверять однородность образца и тщательно экранировать контакты от попадания на них света. Расстояние от контакта до освещения части образца должно быть больше нескольких диффузионных длин, чтобы процессы рекомбинации на контактах не влияли на спад фотопроводимости образца.

В ряде случаев, особенно при измерениях на образцах кремния, кривая спада фотопроводимости имеет длинноволновую составляющую, обусловленную уровнями захвата. Для устранения их влияния эффективным средством является постоянная подсветка образца.

Для быстрого выполнения измерений, повышения их точности и удобства анализ осциллограммы производят непосредственно на экране осциллографа путем сравнения с вспомогательной экспонентой. Это экспоненциальное напряжение получают от специальной RC-цепочки, включенной в цепь фотоэлемента, на который подается тот же импульс света, что и на образец. При совпадении постоянной времени RC-цепочки и кривой затухания фотопроводимости осциллограмма спрямляется, и величину времени жизни отсчитывают по калибровочной шкале RC-цепочки. С целью исключения высших гармоник эту операцию производят на участке осциллограммы, отстоящем от начала спада не менее чем на 2.

3.6.4. Фазовый и частотный методы измерения времени жизни

Фазовый и частотный методы измерения времени жизни основаны на использовании инерционности процесса фотопроводимости, связанной с конечной величиной времени жизни избыточных носителей заряда. При возбуждении носителей заряда светом, интенсивность которого изменяется во времени, например по синусоидальному закону,

131

фотопроводимость и фототок образца воспроизводят изменение интенсивности света с некоторым запаздыванием, т.е. возникает фазовый сдвиг между световым возбуждением и фототоком. При этом фазовый угол зависит от объемного времени жизни носителей заряда и скорости поверхностной рекомбинации. Таким образом, измеряя величину фазового сдвига, можно определить время жизни носителей заряда в образце.

Наличие фазового сдвига фототока приводит к тому, что при увеличении частоты изменения интенсивности света начинает уменьшаться величина фототока, т.е. начинает проявляться частотная зависимость фототока. Зависимость фототока, так же как и фазовый угол, связана с величиной времени жизни, которую можно найти по зависимости амплитуды фототока от частоты изменения света.

В простейшем случае изменение проводимости со временем при освещении полупроводника синусоидально модулированным светом происходит по закону:

т.е. в установившемся режиме, как амплитуда, так и фаза

зависят от величины эффективного времени жизни носителей заряда в образце.

Более точный анализ с учетом поверхностной рекомбинации показывает, что ее наличие ведет к уменьшению фазового угла между сигналом фотопроводимости и возбуждающим светом. Условие (3.47) справедливо только при s=0; при наличии поверхностной рекомбинации фазовый угол выражается сложной функцией, зависящей от многих параметров,

132

жизни, которое можно измерить на таких установках, обычно не меньше нескольких десятков микросекунд.

Определить можно путем исследования сдвига фаз между фототоком и световым сигналом. Обычно измерение разности фаз с этой целью производят методом компенсации. Метод компенсации состоит в том, что вначале световой сигнал преобразуют в тождественный ему по фазе электрический сигнал с помощью безинерционного приемника излучения. Затем электрический сигнал, совпадающий по фазе со световым, сдвигается по фазе посредством фазовращающего устройства так, чтобы его фаза совпала с фазой фототока образца. Схема для определения времени жизни методом компенсации сдвига фаз изображена на рис. 3.14.

Световой поток от источника света, модулированный по синусоидальному закону модулятором М, через оптическую систему ОС и фильтр Ф направляется на образец. Напряжение, пропорциональное фототоку, снимается с сопротивления нагрузки Rн и через усилитель У подается на вертикальный вход осциллографа О.

Часть светового потока, отраженная зеркалом З, попадает на вакуумный фотоэлемент ФЭ, инерционностью которого можно пренебречь по сравнению с инерционностью фототока полупроводникового образца. Сдвигая фазу фототока

вцепи фотоэлемента с помощью фазовращателя, в качестве которого в простейшем случае используется RC-цепочка, можно сделать её совпадающей с фазой фототока образца. Отсутствие разности фаз фиксируется осциллографом с помощью фигуры Лиссажу, которая при совпадении фаз двух сигналов из эллипса превращается в наклонную прямую.

Если шкалу фазовращающей цепочки проградуировать

вединицах времени, то при отсчете по шкале фазометра в моменты компенсации определяют непосредственно время жизни. Условие компенсации можно получить при

134

чувствительность и точность измерений существенно зависят от значения этой частоты.

Б

ФЭ

Рис. 3.14. Схема установки для измерения времени жизни путем исследования сдвига фаз между фототоком и световым

сигналом

3.6.5. Измерение спектров поглощения

Оптические методы исследования свойств полупроводников отличаются большой универсальностью: такими методами можно исследовать монокристаллы и поликристаллы, пленки и порошки полупроводниковых материалов. Фундаментальные оптические свойства полупроводников связаны с электронами валентной зоны и зоны проводимости. Поскольку ширина запрещенной зоны полупроводников, имеющих техническое применение (Ge, Si,

SiC, соединения AIIIBV, AIIBVI), обычно не превышает нескольких электронвольт, коротковолновая граница спектра,

используемого при исследовании полупроводников, обычно составляет около 0,2 мкм. Длинноволновая граница спектра соответствует переходам электронов между мелкими

135