Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Об изменении времени жизни неосновных носителей в кремнии

05.12.2018

Артур, Бардсли, Гибсон и Хогарт показали, что определение X — времени жизни неосновных носителей, введенных в кремний, — связано со многими затруднениями, не возникающими при проведении таких экспериментов на германиевых кристаллах при комнатной температуре. Одно из основных осложнений, имеющих место при измерениях на кремнии, состоит в том, что во многих кристаллах ловушечные эффекты настолько доминируют над процессом рекомбинации, что характеристическое время, определяемое из этого эксперимента, не является действительным временем жизни. В принципе можно устранить эффекты захвата непрерывным освещением образца излучением в пределах полосы поглощения для поддержания ловушек в заполненном состоянии. На практике для этой цели часто нужно применять свет большой интенсивности, и в итоге сигналы, какой бы экспериментальный метод наблюдения процесса рекомбинации ни применялся, могут быть все же очень малыми. Кроме того, из-за большой энергии поглощаемой радиации образец нагревается и возникает проблема стабилизации температуры; более того, подсветка может заметно изменять электросопротивление образца.

Некоторые затруднения, возникающие при определении времени жизни различными методами для кремния n-типа, были рассмотрены Артуром и др.

В настоящей работе описываются другие методы устранения захвата и высоких скоростей поверхностной рекомбинации.

Экспериментальные методы


Ниже будут рассмотрены три метода, наиболее подробно — метод движущегося светового пятна.

Метод Дрейфа


Этот метод должен давать истинное время жизни независимо от поверхностных эффектов при условии, что кристалл в виде нити хорошо протравлен и что поперечные размеры нити равны по крайней мере двум или трем длинам диффузии. Любые ловушечные эффекты проявляются в виде асимметрии формы волны коллектора; эти эффекты можно устранить непрерывным освещением образца.

Спад фотопроводимости


Артур и др. показали, что такой эксперимент, в котором длительность светового импульса достаточна для полного насыщения ловушек, не пригоден для определения времени жизни в кремнии, так как длительные ловушечные эффекты маскируют истинную скорость спада. Если, однако, применяется очень короткий период возбуждения, создаваемый искровым источником (порядка 10в-6 сек.), то первоначальный спад будет давать довольно приемлемое значение т (см., например, работу Хорнбека и Хайнеса). Поскольку период возбуждения короток, то захват происходит в течение короткого времени, так что захватывается очень небольшая доля общего числа носителей и (хотя захват может иметь место и во время спада) в итоге уход носителей из ловушек не превалирует над спадом. Хайнес) указал, что можно легко осуществить проверку истинности результатов, нагревая кристалл теплым воздухом. Если первоначальный спад остается постоянным или дает большее значение т, то эффект захвата мал.

Этот метод требует применения хорошо протравленных кристаллов одинакового по длине поперечного сечения, снабженных невыпрямляющими концевыми вводами. Если вводы выпрямляют хотя бы незначительно, то можно получить аномальные кривые спада. В некоторых случаях после начального спада фототок увеличивается со временем. Во всех остальных отношениях метод очень прост, хотя и может иметь место некоторая неточность результатов.

Метод движущегося светового пятна


Желательно иметь метод, в котором ловушечные эффекты не влияют на измеряемое распределение носителей. Таким методом является метод движущегося светового пятна, предложенный Гучером И детально разработанный Вальдесом. Преимущество этого метода состоит в том, что он может быть применен к массивным частям кристаллов неправильной формы с одной отшлифованной плоскостью. Вполне приемлемый для определения т в германии в применении к кремнию, он связан с рядом затруднений, которые необходимо преодолеть.

1. Нелинейность коллектора. Непрерывным освещением коллектора можно создать такие условия, при которых он будет работать в том интервале, где его проводимость является линейной функцией локальной плотности неосновных носителей.

2. Свет, рассеянный задней поверхностью. При применении тонких образцов возникает опасность, что падающий свет с длиной волны, равной или большей длины волны, соответствующей краю поглощения, может рассеяться от задней поверхности образца, возвратиться к передней поверхности кристалла и образовать там носители заряда. Этот эффект дает аномально большую длину диффузии, но он имеет существенное значение лишь для кристаллов с размерами коротких сторон около 1 мм или менее, гак что обычно не возникает необходимости применять фильтр, рекомендованный Артуром и др.

3. Поверхностная рекомбинация. Для получаемых в настоящее время кристаллов кремния высокого качества большая скорость поверхностной рекомбинации s вызывает значительное изменение распределения носителей, введенных падающим световым пятном. Этот эффект становится заметным в германии для значений времени жизни 100 мксек или более, в результате чего обычное линейное соотношение между логарифмом э. д. с. фотоэффекта и расстоянием заменяется кривой, тангенс угла наклона которой даже в нижней части дает значение длины диффузии (а отсюда и времени жизни), меньшее действительного значения. Для кремния значения s намного больше (обычно от 1000 до 5000 см/сек) и отклонения от линейного соотношения становятся заметными для истинных значений времени жизни около 1—2 мксек или более.

Ван Роозброк решил эту проблему теоретически для случая большой плоской поверхности и показал, как в принципе можно скорректировать результаты. Кроунмейер вычислил семейства кривых, представляющих зависимость Ig э. д. с. фотоэффекта от расстояния для истинных значений длины диффузии Ln.p, причем каждое семейство было вычислено для данного значения s. Если s и дрейфовая подвижность u известны, то экспериментальную кривую можно сопоставить с соответствующей теоретической кривой и отсюда определить

Вообще предпочтительнее снизить значение s до такой величины, чтобы доля поверхностной рекомбинации была ничтожно мала, или сделать высокое значение s неэффективным, так чтобы в итоге получилось линейное соотношение между Ig э д. с. фотоэффекта и расстоянием. Пути достижения этого условия для кремния р-типа заложены в методе, разработанном Радиокорпорацией Америки для снижения обратных токов в кремниевых диодах с вплавленным переходом из сурьмянистого сплава. 2%-ный водный раствор бихромата натрия наносился на поверхность кристалла и кристалл высушивался. Обратный ток через диод заметно уменьшался за счет уменьшения скорости поверхностной рекомбинации. В лаборатории радиокорпорации было замечено, что так как бихромат натрия является сильным окислителем, следует ожидать, что при его реакции с кремнием р-типа будет происходить захват электронов из поверхностного слоя кремния и поверхностный слой будет обладать более сильно выраженной проводимостью р-типа (такой слой называют р+-слоем). Из исследований Мура и Вебстера следует, что р—р+-переход возле поверхности кристалла будет, по-видимому, приводить к пониженному значению s. Таким образом, быстрая диффузия к поверхности, обусловленная обычно большой поверхностной рекомбинацией, будет подавлена и распределение носителей заряда будет нарушено меньше.

По аналогии с кремнием р-типа поверхность кристаллов кремния n-типа следует обрабатывать сильным восстановителем для создания возле поверхности n—-перехода. Успешные результаты были получены с 2%-ными водными растворами хлорида олова, сульфита натрия и ферроцианида калия.

Результаты экспериментов


Ниже приводятся типичные результаты, полученные методом движущегося светового пятна, показывающие, что значения, найденные путем корректировки результатов для кристаллов, протравленных обычным кислотным травителем хорошо согласуются с результатами, полученными на тех же самых кристаллах после обработки их поверхности окислителем или восстановителем, как описано выше. В некоторых случаях результаты были проверены с помощью метода спада фотопроводимости при коротком периоде возбуждения и метода дрейфа; при этом были получены воспроизводимые результаты.

Было исследовано много кристаллов со значениями т, варьирующими от 5*10в-7 до 3*10в-4 сек. Эксперименты проводились с применением белого света, прерывающегося 800 раз в секунду, и резонансного усилителя. Образцы имели толщину, достаточную для устранения эффектов от света, рассеянного обратной стороной образца. Одна поверхность образца была гладко отшлифована и обработана или кислотным травителем (в этом случае результаты корректировались), или соответствующим окислителем (р-тип), или восстановителем (n-тип), и тогда результаты анализировались обычным методом.

В каждом случае применялась непрерывная подсветка. Значения коэффициентов диффузии были приняты Dn =35 см2*сек-1 для электронов и Dp = 9см2*сек-1 для дырок.

Из измерений, проведенных в нашей и других лабораториях, найдено, что значение s для кремния, обработанного приведенным выше кислотным травителем, обычно равно примерно 2500 см-1сек-1. Так как поправка к кривым зависимости Ig э. д. с. фотоэффекта от расстояния не очень чувствительна к малым изменениям s, то это среднее значение было использовано для расчета с применением корректировочных кривых. Совпадение результатов с результатами, полученными другими методами, для одного и того же кристалла явилось подтверждением этого метода.

Типичные результаты для монокристалла р-типа, протравленного кислотным травителем, показаны на фиг. 1,a. После поправки на поверхностную рекомбинацию получаются значения Ln = 0,055 см и тn = 86*10в-6 сек. На фиг. 1, б показаны результаты, полученные на том же самом кристалле после обработки поверхности бихроматом натрия. В этом случае кривые подобны кривым, получающимся обычно для германия в условиях, когда поверхностной рекомбинацией можно пренебречь. Среднее значение равно 0,056 см, а отсюда = 90*10в-6 сек. Для этого кристалла время жизни было определено также с помощью эксперимента, в котором была найдена дрейфовая подвижность: из этих данных было получено значение 80-10в-6 сек. для кристалла в форме нити с поперечным сечением размерами 2,5х2,5 мм, но без специальной обработки поверхности каким-либо другим, кроме обычного кислотного травителя. Измерение начального спада фотопроводимости также дает для времени жизни значение, равное 80*10в-6 сек. Интересно отметить, что если хвостовые концы кривых на фиг. 1, а принять за линейные и поверхностную рекомбинацию полагать ничтожно малой, как это обычно делается, то для получилось бы значение только 0,028 см, соответствующее значению тn = 24*10в-6 сек.

Для материала n-типа получаются подобные же результаты. На фиг. 2, а показана кривая распределения для кристалла, обработанного кислотным травителем, а на фиг. 2, б — кривая, полученная после обработки поверхности кристалла раствором сульфита натрия. Значение t, вычисленное из фиг. 2, а с использованием корректировочных кривых (11 мксек), довольно хорошо совпадает со значением, вычисленным непосредственно из фиг. 2, б (10 мксек).
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: