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光伏检测技术-少子寿命

发布日期:2021-09-18

光伏检测技术-少子寿命

 

在非零温度下,半导体中电子空穴对的产生与复合随时都在发生,只不过在热平衡状态下,单位时间里产生与复合的电子-空穴对数相等,电子与空穴各自稳定地保持其热平衡浓度不变而已。但是,任何能够在此基础上增加或减少载流子数目(无论是成对地,还是不成对地)的外界激励都会破坏这个平衡,使载流子的浓度分布偏离平衡状态。当这个激励条件稳定下来之后,半导体中的载流子浓度即相对于其热平衡密度获得稳定增量(可正可负),此增量被称为非平衡载流子浓度或额外载流子浓度,对电子和空穴分别用和表示。如果使半导体中载流子密度偏离平衡状态的外界刺激被取消,额外增加的载流子会很快通过复合而消失,使载流子浓度恢复到热平衡值。少子寿命是半导体从载流子寿命的不平衡状态恢复到热平衡过程所需要的时间量度。

光电导衰减法

光电导衰减是一种常见的测量少子寿命的标准方法,主要用于测量单晶硅、锗的少子寿命,根据测量手段的不同可分为直流光电导衰减、高频光电导衰减和微波光电导衰减。其中直流光电导衰减和微波光电导衰减都是测试少子寿命的标准方法。直流光电导衰减虽然是一种无损的方法,但对样品的形状、表面情况有一定的要求。可测寿命的上限由样品的形状决定,而下限由光源的下降时间决定。

直流光电导衰减法的测试原理如图所示,脉冲光源照到被测样品的表面,引起样品中过剩载流子的产生,样品电导率发生变化,在与恒流电源的串联电路中,样品上的电压发生变化。在脉冲光照结束后,样品的电导率逐渐恢复到平衡态,通过检测样品上的电压情况可以检测出样品的少子寿命。

 

准稳态光电导衰减法

准稳态光电导方法首次由Sinton和Cuevas在1996年提出。它的原理与稳态光电导方法相似,之所以说是准稳态是因为采取的光源衰减非常缓慢,脉冲下降沿有17~18ms远远高于被测材料中的少子寿命,因此可以认为在测量过程中被测材料中的过剩载流子处于恒定值。

如图所示的是Sinton提供的WCT-100型硅材料寿命测试仪,采用的方法就是准稳态光电导。利用射频线圈耦合来测量样品中的过剩载流子的浓度变化。通过合适的可调桥电路,在光照情况下,桥电路的输出电压与样品中的过剩少子直接相关。射频线路信号随时间变化可用示波器来记录并转化为光电导信号。选择合适的迁移率模型可以将光电导信号转化为过剩载流子浓度。同时,入射光的光强度可以通过已校准的的太阳电池片进行测量。

 

对比稳态光源,准稳态光源有两个优点:①避免了样品的发热现象。以稳态光源照射时,样品会迅速发热导致少子寿命发生变化;准稳态光源的光强在数毫秒之内会缓慢下降到0避免了样品的发热现象。②光强的逐步下降意味着注入水平的不断变化。所以准稳态光照可以同时测量少子寿命随注入浓度的变化。和其他瞬态的方法相比,它可以测量非常低的寿命而无需对脉冲信号的电性质加以控制(如调节脉冲宽度),寿命测量下限由脉冲光强决定。当入射光强达到1000 suns,最低可测寿命为3ns。

微波反射光电导衰减法

微波反射光电导衰减法(MWPCD)是ASTM认可的另一种标准方法,可测少子寿命的范围为0.25us到大于1ms。测量的下限由光源的截止特性和对衰减信号的最低分辨率所决定;测量上限由测试样品的尺寸和样品的表面钝化条件所决定。微波反射光电导衰减法的最大特点是可以非接触、无损地测量样品的少子寿命,受到广泛的应用。

用于测量材料的MWPCD方法的激励光源是脉冲光源,因此也称为瞬态方法,主要研究脉冲结束后材料中过剩载流子的演变。一般采用Nd: YAG激光器产生的1064 nm的红外光,因为Si材料对这个波长的光吸收系数很小,可认为此时材料中的过剩载流子分布均匀。采用脉冲光源的微波反射光电导法也称为TRMC法(Time Resolved Microwave Conductivity)。它的优点在于过剩载流子的衰减过程直接反映了少数载流子的复合。

 

常见的微波光电导装置如图所示。微波源经过环形器,通过天线将微波能量发射到样品表面,反射的微波信号被天线所收集,经过环形器到达检波器。检波器用来检测反射的微波信号。脉冲光源找到样品的表面,引起被测样品电导率的发生变化,从而影响反射的微波能量。可以将样品放置在zy平台上,通过对样品的逐点扫描划出样品的少子寿命mapping图。