Измерение времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей заряда в полупроводниках
Описание лабораторной установки и практические задания
Описание лабораторной установки
В состав лабораторной установки (рис.1) входят: электронно-оптический блок (1), модуль управления (2), осциллограф (3).
Рис. 1.
1. Электронно-оптический блок
Электронно-оптический блок (рис. 2) состоит из осветителя, в качестве которого используется импульсный светодиод инфракрасного диапазона 1, оптической системы 2–5, держателя 10, в котором крепится образец 7. Держатель представляет собой столик с кристаллодержателем, который может перемещаться в горизонтальном направлении. Отсчет продольного перемещения столика производится при помощи микрометрического винта 8 (микрометр "Калибр" модель 102). К образцу прижимается вольфрамовая игла 9, служащая коллектором.
Для определения диффузионной длины светодиод 1 генерирует импульсное ИК излучение, фокусируемое на образец в виде тонкой (~ 0,05 мм) линии. В результате фотоэффекта происходит генерация неосновных носителей, вызывающих появление импульсов тока в цепи. Осциллограф регистрирует эти импульсы благодаря резистору Rнагр.
Рис. 2.
2. Модуль управления
Модуль управления выполняет следующие функции:
- подача импульсов на сведодиодный осветитель при измерении диффузионной длины;
- подача пары импульсов с регулируемой задержкой на вольфрамовую иглу 9 при измерении времени жизни;
- калибровку подаваемых импульсов;
- ограничение измеряемых импульсов (снизу!) для увеличения точности измерения разности их амплитуд;
- вывод измеряемых величин на осциллограф и обеспечение синхронизиции.
Рис. 3.
На лицевой панели модуля управления (рис. 3) находятся следующие приборы и органы управления:
- микроамперметр М24 (ток полного отклонения 150 мкА, кл. точности 2,0) для измерения тока образца при определении диффузионной длины;
- переключатель режимов работы («Диф. длина», «Калибровка», «Время жизни»);
- включатель осветителя;
- сетевой выключатель;
- регулятор тока образца («Смещение»);
- регулятор ограничения измеряемых импульсов («Ограничитель»);
- ручка калибровки;
- регуляторы задержки («Грубо» и «Точно»).
3. Осциллограф
Для визуализации сигналов и измерений их параметров используется осциллограф ОСУ-10А. Как пользоваться осциллографом, вкратце рассказано по этой ссылке.
Практические задания
1. Определение диффузионной длины
Для измерения необходимо:
- переключатель режимов работы перевести в положение «Диф. длина»;
- включить осветитель;
- установить ток образца 50-100 мкА;
- выбрать на осциллографе внешнюю синхронизацияю;
- перемещать образец под осветителем, фиксируя зависимость амплитуды импульса от координаты на микрометрическом винте (рис.4).
Рис. 4.
Измерьте зависимость амплитуды импульса от координаты перемещения образца..
Нужно найти максимум и добиться, чтобы эта амилитуда уменьшилась от максимальной величины минимум в 3 раза.
2. Определение времени жизни
При определении времени жизни ноистелей светодиод отключается, на зонд 9 подаются два импульса постоянного тока с временн`ой задержкой второго импульса односительно первого. Уменьшение сопротивления, происходящее при инжекции носителей, приводит к уменьшению падения напряжения на контакте 8 (рис. 2). После прекращения первого импульса тока число неравновесных носителей постепенно уменьшается в результате рекомбинации, поэтому сопротивление области полупроводника вблизи точечного контакта начинает возвращаться к исходной величине, увеличиваясь со временем. При этом изменение сопротивления следует за изменением числа носителей. Ввиду того, что при временах задержки, меньших или сравнимых с временем жизни неосновных носителей заряда, не все неосновные носители успевают рекомбинировать, импульс напряжения, соответствующий второму импульсу тока, будет несколько меньше по величине. Чем больше будет время задержки, тем меньше будет разница между первым и вторым импульсом напряжения (рис. 5).
Рис. 5.
Для проведения измерений нужно:
- отключить осветитель;
- выбрать на осциллографе внутреннюю синхронизацияю;
- включить режим калибровки установки (перключатель режимов в положении «Калибровка») и установить разницу амплитуд импульсов равную нулю;
- перевести переключатель в режим «Время жизни» и измерить зависимость разности амилитуд импульсов от задержки.
Чтобы точно измерить именно разницу амплитуд при калибровке и измерении, импульсы ограничиваются снизу (регулятор «Ограничение») и предпринимаются некоторые ухищрения, подробно описанные в советах к данной работе. Осциллограмма при измерениях должна выглядеть примерно так, как на рис. 6.
Рис. 6.
Измерьте зависимость разности амплитуд импульсов от величины задержки.
Измерения следует проводить до тех пор, пока разность амплитуд импульсов не уменьшится, как минимум, в три раза от максимальной величины.
3. По результатам измерений постройте графики и определите диффузионную длину и время жизни неосновных носителей в образце.