1、A,1,少子壽命的復合原理及少子與轉換效率的關系,A,2,目錄一、復合理論二、少子壽命測試方法及原理三、少子壽命與電池效率的關系,A,3,一、復合理論,所有處在導帶中的電子都是亞穩定狀態的，并最終會回到價帶中更低的能量狀態。即必然會躍遷回到一個空的價帶能級中。導帶電子回到價帶的同時也有效地消除了一個空穴。這個過程叫做復合。,A,4,（1）按復合相關的能級：直接復合間接復合（2）按復合過程發生的位置：體內復合、表面復合（3）按復合時放出能量的方式：輻射復合：發射光子，能量光子發射聲子：發射聲子，能量晶格振動俄歇復合：能量其它載流子,一、復合理論,復合分類：,A,5,概念：電子直接在導帶和價帶間躍

2、遷而引起的非平衡載流子的復合過程。在輻射復合中，電子與空穴直接在價帶結合并釋放一個光子。釋放的光子的能量近似于禁帶寬度，所以吸收率很低，大部分能夠飛出半導體。載流子多余的能量是以光子的形式釋放的，或者為滿足準動量守恒，在發射光子的同時，伴隨著發射或吸收聲子。,1.1直接復合,A,6,r電子空穴的復合概率n0p0熱平衡狀態下電子、空穴濃度p非平衡載流子濃度,大注入條件下，p（n0p0）,少子壽命隨非平衡載流子濃度而改變，在復合過程中不再是常數,直接復合對窄禁帶半導體，和直接禁帶半導體，占優勢。,1.1直接復合,A,7,概念：電子通過禁帶中缺陷、雜質能級的復合,復合中心：促進復合過程的雜質和缺陷考

3、慮一種復合中心能級Et，存在四個相關的微觀過程。,1.2間接復合,A,8,甲:俘獲電子Et從Ec俘獲電子乙:發射電子Et上的電子激發到Ec丙:俘獲空穴電子從Et進入EV丁:發射空穴價帶電子激發到Et上,通過復合中心的輻射也叫肖克萊-萊德-霍爾或SRH復合，它不會發生在完全純凈的、沒有缺陷的半導體材料中。,1.2間接復合,A,9,1.2間接復合,n1費米能級與復合中心重合時導帶的平衡電子濃度p1費米能級與復合中心重合時價帶的平衡空穴濃度Nt復合中心濃度,顯然：少子壽命與復合中心濃度Nt成反比。,A,10,當EtEi時，U最大，=p/U最小即缺陷能級位置在趨于禁帶中部時，載流子的壽命最小，也就是和

4、淺能級相比，深能級是更有效的復合中心。,硅晶體中的Cu、Fe、Au等雜質形成的深能級均是有效的復合中心，從而降低硅塊/硅片少子壽命。,1.2間接復合,電子空穴對凈產生速率,A,11,概念：一個俄歇復合過程有三個載流子參與。載流子從高能級向低能級躍遷，發生電子空穴對復合時，釋放的能量傳遞給另一個載流子，使該載流子被激發到更高的能級上去，被激發的載流子重新躍遷回低能級時，多于能量以聲子形式釋放的過程，即非輻射復合，又叫俄歇復合。俄歇復合是重摻雜材料和被加熱至高溫的材料最主要的復合形式。,1.3俄歇復合,A,12,通常：俄歇復合在窄禁帶半導體、高溫情況下起重要作用。與雜質、缺陷有關的復合過程，常常是

5、影響半導體發光器件的發光效率的重要因素。,1.3俄歇復合,A,13,概念：指在半導體表面發生的復合過程特點：材料表面的雜質形成禁帶中的復合中心能級表面特有的缺陷形成禁帶中的復合中心能級是間接復合的復合機構用間接復合理論來處理,1.4表面復合,A,14,少子壽命與表面復合的關系：假設兩種復合獨立發生，則總復合概率為：,其中：V、S分別為體內、表面的少子壽命，有效壽命1/S表面復合概率，1/V體內復合概率,1.4表面復合,A,15,二、少子壽命,當存在光、電場等外界因素時，熱平衡條件被破壞，材料中載流子的濃度將高于n0、p0，稱高出部分為非平衡載流子，也稱過剩載流子。p型半導體，空穴為非平衡多數載

6、流子，即多子電子為非平衡少數載流子，即少子非平衡載流子的壽命指非平衡載流子的平均生存時間，用表示載流子消失的過程，主要決定于非平衡少數載流子，因此非平衡載流子壽命通常可以用非平衡少數載流子壽命表示，稱為少數載流子壽命，簡稱少子壽命。,A,16,二、少子壽命測試方法,少子壽命測量方法包括非平衡載流子的注入和檢測兩個基本方面。最常用的注入方法：光注入和電注入。,少子壽命測試方法有一下幾種：微波光電導衰減法（MW-PCD）；準穩態光電導法（QSSPC）；表面光電壓法（SPV）；IR濃度載流子濃度成像（CDI）；調制自由載流子吸收（MFcA）；光子束誘導電流（LBIC）；電子束誘導電流（EBLC）。,

7、A,17,2.1MW-PCD,微波光電導衰減法(MW-PCD/-PCD)：主要包括激光注入產生電子-空穴對和微波探測信號這兩個過程。測試原理：通過測試從樣品表面反射的微波功率隨時間變化曲線來記錄光電導的衰減。優點：不需要絕對測量過剩載流子的大小，而是通過光電導進行相對測量。缺點：當瞬態方法測量短的載流子壽命時，需要快的電子學設備記錄非常快的光脈沖和光電導衰減信號。,A,18,-PCD測試得到的是有效少子壽命。影響因素：體壽命和表面壽命。有效少子壽命可由下式表示：,其中：,diff少子從樣品體內擴散到表面所需時間；surf樣品表面復合產生的表面壽命；meas樣品測試的少子壽命；d樣品厚度；S表面

8、復合速率；Dn，Dp分別為電子和空穴的擴散系數。,2.1MW-PCD,A,19,不同表面復合速率下，測試的少子壽命與體壽命的關系,2.1MW-PCD,A,20,準穩態光電導法（QSSPC）測試原理：通過射頻電感耦合得到樣品中的光電壓或者光電流,光電流輸出的時間分辨信號被示波器記錄，最終經過計算機處理得到少子壽命的值。,特點：QSSPC直接就能夠測得過剩載流子濃度，因此可以直接得出少子壽命與過剩載流子濃度的關系曲線，且能得到PN結的暗飽和電流密度。,2.2QSSPC,A,21,2.3SPV,表面光電壓法（SPV）測試原理：當光照在半導體表面時，產生電子一空穴對，一般而言在半導體近表面區域電子、空

9、穴會從新分布，導致了能帶彎曲的減少，這種能帶彎曲的減少術語上稱為表面光電壓。SPV方法使用透明電極去測量由表面空間電荷區域聚集的載流子形成的電壓。特點：SPV方法適用于非常低的載流子注入水平。它是一種非損傷性的測試方法。,A,22,光子束誘生電流法（LBIC）測試原理：測量具有一定大小、形狀的單色光束激發太陽電池產生的電流的光譜響應特點：因為LBIC通過測試短路電流，能夠給出半導體器件的光電學性能的直接信息，同時也能夠給出晶粒邊界的少子擴散長度，或者復合速度等。另外還能夠結合光反射測量得到樣品的內量子效率分布，它實際上是一種表征電池性能的很好方法。,2.4LBIC,A,23,硅片-PCD與PL圖像,3.少子壽命與電池效率的關系,暗色區為位錯群缺陷區域，載流子復合速率大。,A,24,硅塊-PCD與PL影像,3.少子壽命與電池效率的關系,PL影像測試時間短，分辨率更高,A,25,一個硅塊不同位置硅片的PL圖像,A,26,硅片做成電池的LBIC、PL圖像,3.少子壽命與電池效率的關系,硅片PL圖像中的明暗