1.2 非平衡少数载流子寿命测试
1.实验目的
掌握少数载流子寿命的测试方法与原理。
掌握高频光电导衰减法少子寿命测试设备的使用方法。
2.实验原理
少数载流子寿命高频光电导衰减法测量电路示意图如图1.5所示。
图1.5 少数载流子寿命高频光电导衰减法测量电路示意图
单晶硅样品被光照射时产生了新的光生电子—空穴对。对于N型样品空穴即为少数载流子；对于P型样品电子即为少数载流子。光熄灭后，这些光生载流子被体内重金属杂质形成的深能级所捕获，同时被表面缺陷中心复合。在复合过程中少数载流子的减少起最主要的作用，随着光生载流子的减少，高频源流过样品的电流减小，在取样器上得到的光电导电压按指数方式衰减，如图1.6所示。在图1.6中，
，则
式中 τ——时间变量。
则
图1.6 光电导电图
式中 e——t1～t2内迁移的电子量。
选择CURSORS光标模式手动测量，进入手动测量界面，寿命读数可从表1.3中选择光标起止位置进行测量，测量时将波形大小调为6格（请根据垂直系统微调将信号调至6格），按照6格计算起止光标位置，见表1.6,波形如图1.7所示。
表1.6 起止光标位置
图1.7 波形图
选择的寿命值建议取在光电导电压U0从40%衰减到14.7%的时间段。
数字示波器可以取信号的叠加平均值，可以显著降低噪声，提升波形质量。平均次数越多，波形和读数越稳定。在保证波形稳定的情况下，为了提高测量速度一般读取32次数据即可。按功能键“采样ACQUIRE”即可选获取方式为平均。
本仪器寿命测试范围为5～10000μs，按测量标准对仪器设备的要求，本仪器设备配有以下部件：
（1）光脉冲发生装置。主要参数为：重复频率大于25次/s，脉宽不小于60μs，脉冲电源为5～20A，光脉冲关断时间小于2μs，红外光源波长为1.06～1.09μm（测量单晶硅）。
（2）高频源。频率为30MHz，低输出阻抗，输出功率大于1W。
（3）放大器和检波器。频率响应为2～2MHz。
（4）配用示波器。频带宽度不低于10MHz，Y轴增益及扫描速度均应连续可调，如果测量锗单晶寿命需另行配置适当波长的光源。
（5）仪器配有两种光源电极台，既可测量纵向放置的单晶硅寿命，也可测量竖放单晶硅横截面的寿命。
3.实验设备
数字式硅晶少数载流子寿命测试仪、数字示波器。
4.实验步骤
（1）少数载流子寿命测试仪的使用。
1）检查电源开关及连接线路。仪器面板图如图1.8所示。开机前检查电源开关是否处于关断状态：“0”在高位——开态，“1”在高位——关态。在少数载流子寿命测试仪（简称寿命测试仪）信号调节端与示波器通道1（CH1）之间，用随机配置的信号线连接。拧紧寿命测试仪背板的保险管帽，插好电源线。
图1.8 少数载流子寿命测试仪面板图
2）开启寿命测试仪电源开关。按下电源开关“1”，此时“1”处于低位，“0”处于高位，开关指示灯亮。先在铍青铜电极尖端点两滴自来水，然后将单晶硅放在电极上准备测量。
3）开启脉冲光源开关。光脉冲发生装置为双电源供电，先按下光源开关“1”，寿命测试仪内脉冲发生器开始工作。再顺时针方向拧响带开关电位器（光强调节），此时光强指示数字表在延时10s左右（储能电容完成充电）数值上升。测量数千欧姆·厘米的高阻单晶硅时，光强电压只要用到5V左右；测量数十欧姆·厘米的单晶硅可将电压加到10V左右；测量几欧姆·厘米的单晶硅可将电压加到15V左右。光强调节电位器顺时针方向旋转，脉冲光源工作电压升高，光强增强，最高可调到20V，此时流经发光管的电流高达20A，因此不能在此条件下长期工作。
4）设备预热。寿命测试仪电源开关在开启瞬间，由于机内储能电容、滤波电容均处于充电状态，是一个不稳定的过程，因此示波屏上会出现短时杂乱不稳的波形。待充电完成后示波屏上出现一条较细的水平线时，寿命测试仪才进入工作状态。因此使用前请开机预热2～3min。更换单晶硅测量时无需再开关仪器。
5）批量测试时，当发现信号不佳时，请先考虑补充2个金属电极尖端的水滴，但注意水滴不要流入出光孔。
6）长期使用后，铍青铜会氧化变黑，此时如果加水也不能改善信号波形，请用金相砂纸（或细砂纸）打磨发黑部分，并将擦下的黑灰用酒精棉签擦净。
（2）数字示波器的使用。数字示波器实物图如图1.9所示。
1）将寿命测试仪主机信号线接入Y通道2高频插座，按示波器顶盖电源开关。检查CURSORS（光标）、通道2、RUN/STOP 3个绿灯是否亮。如有缺亮的灯，请按相应按键。RUR/SOTP灯红色时为停止，绿色才能运转。
2）数字示波器前面板部分操作。
a.垂直系统。垂直通道电压灵敏度由通道2上方的大旋钮控制，按下一次为粗调（步进），再按下一次为细调。注意网络下方左边通道2/V的变化，此数代表每分格（8.9mm）的电压值。低阻单晶硅通道2/V后面数字常用在20mv/div、50mv/div、100mv/div挡。通道2下面的小旋钮控制波形在显示屏的上、下位置，若在调节波形垂直大小时波形失显，则按一下垂直系统的小旋钮让其归零或调节触发电平即可重新显示。
图1.9 示波器实物图
b.水平系统。大旋钮调节扫描速度时，请注意屏幕网络下方的M=××μs，它表示每分格代表的扫描时间，一般选M值与单晶硅寿命相近，低阻单晶硅选M=10μs、25μs、50μs。（注：大旋钮只有扫描速度的步进调节功能，没有细调功能。此旋钮按一下出现两条直线将指定部位波形放大，再按一下出现放大后的波形，再按一下则还原，仅是放大波形，以便于观察细节，并无实际的调节功能。）
小旋钮控制波形在屏幕上的左、右位置，调节时请缓慢旋转，因为调节扫描速度时波形也可能跳到屏幕显示之外，此时按一下小旋钮波形就会回到显示屏中间位置。
c.同步系统。由于寿命测试仪信号线接入通道2，因此只能选通道2为触发信源，不能选通道1或脉冲、视频等。触发类型选上升边沿。触发方式为自动或在波形不稳时选单次。耦合设置一般选“交流”或（在波形漂动时）“低频抑制”，特长寿命（＞1ms）测量选“直流”。此时旋转触发电平，会出现一条水平亮线，通过旋转可上、下移动，当亮线移至波形要出现的位置时，波形将稳定出现。设置完成后关闭电源，示波器将自动保存设置，下次开机即可直接使用。蓝色AUTO为自动设置键，按下则恢复出厂设置，若无意按下，需按要求重新设置。
（3）示波器的基本设置及使用方法。为更快掌握示波器的使用方法，现列出其基本设置、调试方法及注意事项如下：
a.首先打开示波器顶端的电源开关，选择所使用的通道1或通道2。如选通道2，则按下相应的按钮，选好后按钮会发绿光，注意此时要保证其他3个按钮在未选状态，其中右边的两个旋钮为通道2的Volt/div旋钮和垂直POSITON旋钮；S/div为水平控制，用于改变扫描时间刻度，以便在水平方向放大或缩小波形。
b.选好通道以后进行基本参数设置，其中设置菜单均在屏幕右边，并使用旁边对应的5个蓝色按钮来选择要设置的项。进入二级菜单时使用万能旋钮，通过旋转使光标锁定在所需项，这时按下万能旋钮来确定，再查看所选项是否正确,操作步骤如下：
a)若选用通道2，在参数设置中耦合选为“交流”、带宽限制选为“开启”、反相选为“关闭”、数字滤波选为“关闭”，其他不需特别设置。
b)点击TRIG MENU按钮，屏幕右边出现一列菜单，其中触发类型选为边沿、信源选为通道2，触发方式为自动，斜率选第一项。
c)点击DISPLAY按钮，菜单中类型为“矢量”、持续选为“关闭”、格式为“YT”、屏幕选择“反相”时其背景色为白色，如果要打印波形，建议选择反相，可节省墨量；菜单显示无限、界面方案可根据喜欢的颜色来选择。
d)UTILITY设置，即设置打印方式。注意：后USB口选为打印机，打印设置中的打印钮设为打印图像，其他可根据情况自行设定。
e)点击ACQUIRE按钮，其中获取方式为平均值，平均次数有4、16、32、64、128、256 6种选择。一般情况下建议使用32次，数值越大波形越稳定，测量值越精确；但次数越大波形达到稳定的时间越长，需要等待几秒钟。Sinx/x选择开启，采样方式为实时采样。
f)点击CURSORS光标，模式为手动测量。在手动测量菜单里，类型选择“时间”，信源选择通道2；通过调整光标CurA、CurB来调整取值范围，两条光标之间的部分为所取寿命范围，左上角的ΔT为寿命值。
c.调节波形。通过旋转水平Volt/div及垂直S/div旋钮来调节波形的大小。其中Volt/div分为粗调和细调，按一下旋钮则变为细调状态，再按一下即可恢复粗调。当信号波形闪烁不稳定时可调触发电平来改善波形，按下触发电平旋钮，屏幕最左边的“2→（通道2信号）”将和“T→（触发电平）”重合，此时旋转触发电平使其“T→白线”位于波形范围内。
学院___________专业___________
班级___________姓名___________学号___________
非平衡少数载流子寿命测试实验报告
1.实验目的
2.实验原理
3.实验方法
4.实验结果
（1）请绘制出标准单晶硅样品的少数载流子寿命波形曲线。
（2）请绘制出标准多晶硅样品的少数载流子寿命波形曲线。
（3）请绘制出自有多晶硅样品的少数载流子寿命波形曲线。
（4）请简述单晶硅和多晶硅样品在少数载流子测量结果上的差异表现，并对原因进行简要分析。