基于微波反射光电导法的硅材料少子寿命的研究及系统构建.pdf

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1、四论文基于微波反射光电导法的硅材料少子寿命的研究及系统构建何璇陈长缨。洪岳。张浩(1．广东省高等学校光电信息与传感技术重点实验室(暨南大学)2．暨南大学光电工程系)摘要：本文基于微波光电导法的测量原理，从单晶硅材料中的电导率和少数载流子浓度的关系着手，提出了一个基于激光一微波双辐射源的硅材料非平衡少数载流子寿命测量系统，介绍了系统结构与工作原理，讨论了系统中各模块功能及其实现原理，完成了模块的理论分析与设计。初步实验表明：设计方案具有可行性。关键词：可再生能源；硅；微波；光电导；少数载流子寿命1引言随着世界各国对

2、能源需求的不断增长和对环境保护要求的日益增强，清洁能源的推广应用已成必然趋势。太阳能的开发利用对改善当前的能源结构，减少污染，保护环境有重要意义【l】。在太阳能的利用中，太阳电池的应用最受关注。硅太阳电池于1958年首图1微波反射信号测试的基本结构图先在航天器上得到应用，自本世纪7O年代以来，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位。单晶硅一般情况下，测试时只考虑被样品吸收和反射的材料中光生少数载流子寿命是太阳电池设计及生产微波信号，微波透射信号相对较弱，可以忽略不计。过程中的一个重要参数，它对半导体器件的性能、

3、太因此，微波信号反射强度为：阳能电池的效率都有重要的影响【2J。本文基于微波光P()=一()fl1电导法的测量原理，从单晶硅材料中的电导率和少数式中是样品的微波信号吸收强度。微波反射载流子浓度的关系着手，提出了一个基于激光一微波率的变化来自两个方面：一方面样品电导率的增加导双辐射源的硅材料非平衡少数载流子寿命测量系统，致微波信号被样品吸收增加，反射信号减弱，为负作并实现了对其寿命的初步测量。用，即等号右边括号里的第一项；另一方面电导率的2微波光电导法测量的基本原理变化导致电场强度平方项的变化，为正作用，即等号右边

4、括号内的第二项。微波光电导法(MicrowavePhotoconductivity一般对于低电导率的样品，只考虑第一项，即：Decay，—PCD)是测量少数载流子寿命的基本方法，主要包括激光注入产生电子～空穴对和微波探测信=以仃f『』一dxdyd~号的变化两个过程。由式△P／P(cr)=AAo-可定义A为比例系数，此一般采用微波反射信号来探测样品电导率信号时A为正。因此随着电导率逐渐变大，比例系数A的变化，因为相比与微波透射或吸收信号，微波反射经历从负到正的变化【4]。信号不易受样品形状和尺寸的影响。一般在测试时

5、，输出信号是电压变化量而不是微测试系统的原理是通过测试从样品表面反射的波反射率的变化量，而电压与微波反射信号的关系式微波功率的时间变化曲线来记录光电导的衰减I3，丌。其为：测试系统的基本结构如图1所示。8木基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(暨)(11609506)P=constV”(3)微波源发射的两个路径的微波，通过使一个路径因此，当微波信号发生微小变化时，将导致输出的微波经过移频器改变频率，实现两路径微波相对运电压的微小变化，两者是线性关系，即：动产生相对频率，从而产生频差，以减小单路微波路△

6、JP}P=n(hV、)‘径测量受到外界环境因素的干扰。这样就可以通过电压变化趋势来间接反映少子(3天线变化趋势。[】由于要求发射与检测系统的集成化，系统的发射与接收天线均选用矩形微带天线，即贴片天线。这是3基于微波光电导法的少子寿命新型测量系统一种由矩形导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介在充分分析其他少数载流子寿命测量方法后，本质基片上形成的天线，用作发射微波探测信号及接收文提出了基于微波反射光电导测试系统的一种新的微波反射信号【引。结构设计方案。该方案相对于目前的测试仪器结构更f4)激光器为紧凑、便携，成本也大

7、大降低。该测试系统整体框波长在0．9pm～1．1lam的激光二极管，作为硅片架图见图2。的注入光源，可在半导体材料中激发非平衡载流子。标称脉冲宽度<~200ns，上升沿和下降沿<~25ns。光源输出功率建议可调，在脉冲作用期间使样片表面产生的光子密度介于2．5×1010和2．5x1015之间。其次，对于Si材料，入射光波长1064nm接近它的吸收限，非平衡载流子可以在样品中近似均匀分布。(5)衰减器必要的时候，在微波传输路径中分出一路连接到图2基于微波反射光电导的系统设计框架图衰减器，无激光注入条件下调节衰减器，

8、使检波器的该系统可分为四大模块：微波源模块、差频模块、测试信号为零。这样在有激光注入的条件下，检波器发射接收天线模块和信号处理模块。从微波源发射的上检测到的信号为脉冲激光注入后引起的光电导衰两个路径的微波，一个经过扰动驱动再投射到样品的减信号。衰减器能够消除暗光电导，加强探测信号。固定照射区，另一个则直接透射到样品的照射区；同4实验步骤与数据分析处理时驱动激光器，使得微波