Метод спада фотопроводимости.

Суть метода спада фотопроводимости заключается в следующем.

В образце под действием короткого светового импульса генерируются неравновесные носители - электроны и дырки с избыточными концентрациями Dn и Dp. Это приводит к увеличению проводимости образца s на величину Ds_ф, равную

. (54)

Величина Ds_Ф носит название фотопроводимости.

После выключения подсветки в результате рекомбинации носителей избыточная проводимость уменьшается, причем зависимость фотопроводимости Ds_Ф от времени определяется временной зависимостью избыточных концентраций носителей Dn(t) и Dp(t).

Изменение избыточных концентраций носителей со временем описываются уравнениями непрерывности для электронов и дырок (6).

При отсутствии диффузии и дрейфа неосновных носителей

. (55)

При отсутствии генерации внешним фактором (светом)

. (56)

При низком уровне инжекции уравнения непрерывности имеют простые решения:

, . (57)

Если отсутствуют явления захвата, то изменение концентрации неравновесных носителей происходит только в результате рекомбинации пар носителей и время жизни электронов и дырок совпадают

, (58)

где t - время жизни пары неравновесных носителей.

Учитывая условие электронейтральности Dn=Dp, а также равенство (58), перепишем решения (57) в следующем виде.

. (59)

Подставляя выражение (50) в формулу (54), получаем выражение временную зависимость нестационарной фотопроводимости, которая имеет тот же характер, что и зависимость от времени неравновесной концентрации носителей

. (60)

Таким образом, измеряя экспериментально зависимость фотопроводимости от времени Ds_Ф(t), можно определить время жизни неосновных носителей t.

При измерении t методом спада фотопроводимости необходимо обеспечить выполнение условий (55) и (56), при которых справедливы решения уравнений непрерывности в виде (63).

Условие (56) выполняется, так как измерение фотопроводимости Ds_Ф производится после выключения импульса света, то есть в отсутствии генерации носителей.

Для выполнения равенства (55) необходимо создать условия, препятствующие диффузии носителей заряда. Диффузия носителей может быть вызвана как поверхностной рекомбинацией, так и различием концентраций носителей в освещенной и не освещенной областях образца. Для исключения диффузии необходимо использовать излучение такой длины волны, которое слабо поглощается в полупроводнике. В этом случае генерация избыточных носителей происходит равномерно по всему объему образца, а влияние поверхностной рекомбинации ослабляется. Для уменьшения вклада поверхностной рекомбинации необходимо использовать образцы толщиной d не менее одного миллиметра, проводить химическое травление поверхности образца. Измеренное в этих условиях время жизни соответствует времени жизни в объеме. В общем случае в эксперименте измеряется эффективное время жизни носителей заряда t^*, которое в соответствии с (12) определяется и временем жизни в объеме образца t и на поверхности образца t_S, причем

. (61)

Если скорость поверхностной рекомбинации S невелика, так что выполняется соотношение , то величина t_S определяется выражением .

В образцах с высокой плотностью центров захвата функция Ds_Ф при больших временах стремиться к некоторой постоянной величине, отличной от нуля. Для опустошения центров захвата обычно применяется дополнительная постоянная подсветка образца.

Напряженность электрического поля в образце при измерении избыточной фотопроводимости должна быть достаточно малой, чтобы не происходило затягивание носителей в контакт в результате дрейфа, что может исказить истинное время жизни t, определяемое равенством (61). Расстояние от освещенного участка кристалла до контактов должно в несколько раз превосходить диффузионную длину L_D с тем, чтобы не происходило существенного изменения концентрации избыточных носителей в образце в результате диффузии.

При малом уровне инжекции диффузионный ток в образце, обусловленный разностью концентраций носителей в освещенной и в не освещенной областях кристалла, также невелик. При этом рекомбинация носителей происходит практически в том же участке кристалла, где произошла генерация.

Представленный метод измерения времени жизни применим для измерения времен жизни более 10 мкс в образцах, удельное сопротивление которых более 10 Ом*см.

Обнаружение неравновесных носителей заряда.

Избыточные электроны и дырки могут быть также зарегистрированы с помощью p-n перехода. Когда вблизи него появляются избыточные носители заряда, то электрическое поле, существующее внутри перехода, затягивает электроны в n-, а дырки - в р-область (рис.7).

Поэтому при разомкнутой цепи n-область заряжается отрицательно, а p-область - положительно, то есть в p-n переходе возникает ЭДС. При замыкании цепи в ней возникает ток. p⁺-n переход может быть создан, например, например, диффузией бора в кремний через окно в SiO₂ (рис.7). В качестве p-n перехода можно также использовать контакт металлического зонда с полупроводником, в особенности после «формовки» его импульсами достаточно сильного тока. Причины образования p-n перехода в этом случае могут быть различными: диффузия материала проволоки внутрь полупроводника, изменение концентрации электрически активных примесей при местном разогреве вследствие формовки (образование так называемых термодоноров или термоакцепторов). Для увеличения потенциального барьера в p-n переходе и усиления процесса разделения неравновесных электронов и дырок к нему прикладывают отрицательное напряжение.