Поверхностное фотонапряжение

Измерения поверхностной фотоэдс ( SPV ) являются широко используемым методом определения неосновных носителей диффузионной длины в полупроводниках . Поскольку транспорт неосновных носителей заряда определяет поведение pn-переходов , которые повсеместно встречаются в полупроводниковых устройствах, данные о поверхностной фотоэдс могут быть очень полезны для понимания их работы. В качестве бесконтактного метода SPV является популярным методом определения характеристик малоизученных составных полупроводников, где изготовление омических контактов или специальных структур устройств может быть затруднено.

Теория

SPV — это изменение потенциала на поверхности из-за освещения, изображенное на этих зонных диаграммах .

Как следует из названия, измерения SPV включают в себя мониторинг потенциала поверхности полупроводника при генерации электронно-дырочных пар с помощью источника света. Поверхности полупроводников часто представляют собой области обеднения (или области пространственного заряда ), где встроенное электрическое поле из-за дефектов вымывает подвижные носители заряда. Уменьшенная плотность носителей означает, что электронная энергетическая зона большинства носителей отклонена от уровня Ферми . Этот изгиб зоны приводит к возникновению поверхностного потенциала. Когда источник света создает электронно-дырочные пары глубоко внутри полупроводника, они должны диффундировать через объем, прежде чем достичь области обеднения поверхности. Фотогенерированные неосновные носители имеют меньшую диффузионную длину, чем гораздо более многочисленные основные носители, с которыми они могут излучательно рекомбинировать . Таким образом, изменение поверхностного потенциала при освещении является мерой способности неосновных носителей достигать поверхности, а именно диффузионной длины неосновных носителей. Как всегда в диффузионных процессах, длина диффузии $L$ примерно соответствует времени жизни $\tau _{\mathrm {bulk} }$ по выражению $L={\sqrt {D\tau _{\mathrm {bulk} }}}$ , где $D$ – коэффициент диффузии . Диффузионная длина не зависит от каких-либо встроенных полей в отличие от дрейфового поведения носителей.

Обратите внимание, что фотогенерированные основные носители также будут диффундировать к поверхности, но их количество как часть плотности термически генерируемых основных носителей в умеренно легированном полупроводнике будет слишком мало, чтобы создать измеримую фотоэдс. Оба типа носителей также будут диффундировать к заднему контакту, где их сбор может затруднить интерпретацию данных, когда длина диффузии превышает толщину пленки. В реальном полупроводнике измеренная диффузионная длина $L_{\mathrm {meas} }={\sqrt {D\tau _{\mathrm {eff} }}}$ включает эффект поверхностной рекомбинации, который лучше всего понять через его влияние на время жизни носителей:

{\frac {1}{\tau _{\mathrm {eff} }}}={\frac {1}{\tau _{\mathrm {bulk} }}}+{\frac {2s}{d}}

где $\tau _{\mathrm {eff} }$ – эффективное время жизни носителя, $\tau _{\mathrm {bulk} }$ - срок службы сухогруза, $s$ – скорость поверхностной рекомбинации и $d$ — толщина пленки или пластины. Даже для хорошо охарактеризованных материалов неопределенность в отношении значения скорости поверхностной рекомбинации снижает точность определения диффузионной длины для более тонких пленок.

Экспериментальные методы

Измерения поверхностной фотоэдс выполняются путем помещения пластины или листовой пленки полупроводникового материала на заземляющий электрод и размещения датчика Кельвина на небольшом расстоянии над образцом. Поверхность освещается светом фиксированной длины волны в промышленных целях или светом, длина волны которого сканируется с помощью монохроматора , чтобы изменять глубину поглощения фотонов. Чем глубже в полупроводнике происходит генерация носителей , тем меньшее количество неосновных носителей достигнет поверхности и тем меньше фотоэдс. В полупроводнике, спектральный коэффициент поглощения которого известен, длину диффузии неосновных носителей в принципе можно определить из измерения зависимости фотоэдс от длины волны. Оптические свойства нового полупроводника могут быть недостаточно хорошо известны или могут быть неоднородными по всему образцу. Температуру полупроводника необходимо тщательно контролировать во время теста измерения SPV. Термический дрейф усложняет сравнение различных образцов. Обычно измерения SPV выполняются в Режим , связанный с переменным током, с использованием прерываемого источника света, а не вибрирующего зонда Кельвина.

Значение

Длина диффузии неосновных носителей имеет решающее значение при определении производительности таких устройств, как фотопроводящие детекторы и биполярные транзисторы . определяет соотношение диффузионной длины и размеров устройства В обоих случаях коэффициент усиления . В фотоэлектрических устройствах, фотодиодах и полевых транзисторах поведение дрейфа из-за встроенных полей в типичных условиях более важно, чем диффузионное поведение. Тем не менее, SPV является удобным методом измерения плотности примесных центров рекомбинации, которые ограничивают производительность устройства. SPV выполняется как в качестве автоматизированного и рутинного теста качества материалов в производственной среде, так и в качестве экспериментального инструмента для исследования поведения менее изученных полупроводниковых материалов. с временным разрешением Фотолюминесценция - это альтернативный бесконтактный метод определения транспортных свойств неосновных носителей.

См. также

Ссылки

Шредер, Дитер К. (2006). Полупроводниковые материалы и характеристики устройств . Wiley-IEEE Press. ISBN 978-0-471-73906-7 .
Шредер, Дитер К. (2001). «Поверхностное напряжение и поверхностное фотоэдс: история, теория и применение». Измер. наук. Технол . 12 (3): С16–С31. Бибкод : 2001MeScT..12R..16S . дои : 10.1088/0957-0233/12/3/202 .
Кроник, Л.; Шапира, Ю. (1999). «Явления поверхностного фотоэдс: теория, эксперимент и приложения» (PDF) . Отчеты о поверхностной науке . 37 (1): 1–206. Бибкод : 1999СурСР..37....1К . CiteSeerX 10.1.1.471.8047 . дои : 10.1016/S0167-5729(99)00002-3 . Архивировано из оригинала (PDF) 12 марта 2005 г. Проверено 3 июля 2008 г.

Внешние ссылки