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Verfahren zur Messung der Lebensdauer von Ladungsträgern in Halbleitern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Lebensdauer von Ladungsträgern
in Halbleitern.
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Zur Messung der Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern in Haibleiterkristallen
ist es bereits bekanntgeworden, daß der Halbleiterkristall scheibenförmig hergestellt
und mit einer großflächigen, lichtdurchlässigen Sperrschichtelektrode auf einer
Scheibenfiäche sowie mit einer zweiten Elektrode versehen wird und daß die fotoelektrische
Empfindlichkeit dieser Anordnung mittels durch die großflächige, lichtdurchlässige
Sperrschichtelektrode einfallenden Lichtes gemessen wird.
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Fernerhin ist es bereits bekannt, für die Fotoladungsträgererzeugung
zwei verschiedene Anregungsbedingungen zu wählen, in deren Abklingvorgang die Volumenrekombination
und die Oberflächenrekombination mit unterschiedlichem Gewicht eingehen. Hierbei
werden nacheinander zwei verschiedene Messungen durchgeführt, bei denen die Halbleiterkristallzone
mit einer Strahlung zweier verschiedener Wellenlängen bestrahlt wird. Dabei ist
insbesondere vorgesehen, daß die zwei Wellenlängen so gewählt werden, daß die eine
oberhalb und die andere unterhalb der Bandkante des Halbleitermaterials liegt.
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Diese und ähnliche Verfahren sind sehr aufwendig; sie erfordern,
entweder mehrere Messungen nacheinander durchzuführen oder einen präparativen Eingriff
in den Prüfling oder sogar das Herstellen besonderer Prüfobj ekte aus dem Halbleitermaterial,
dessen Diffusionslänge bzw. Lebensdauer gemessen werden soll.
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Die Erfindung bezieht sich daher auf ein Verfahren zur Messung der
Lebensdauer von Ladungsträgern in Halbleitern, bei dem Ladungsträger fotoelektrisch
in dem Halbleiter erzeugt werden und die dadurch hervorgerufenen Änderungen des
elektrischen Widerstandes des Halbleiters in Abhängigkeit von der Zeit gemessen
werden, wozu an den Halbleiter eine Spannung gelegt und der Spannungsabfall im Halbleiter
gemessen wird.
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Bei diesem bekannten Verfahren wird eine Gleich spannung an den Halbleiter
gelegt oder jedenfalls eine Impulsspannung, deren Impulsdauer groß ist gegenüber
der Lebensdauer der Ladungsträger. Solche Verfahren haben aber den Nachteil, daß
die angelegte Spannung die Ladungsträger aus dem Halbleiterinnern entfernt, beispielsweise
dadurch, daß die Ladungsträger auf die Elektroden, mit denen der Halbleiter kontaktiert
ist, auftreffen. Das Ende des gemessenen Spannungsabfalls ist dann nicht mehr charakteristisch
für die Lebensdauer der Ladungsträger.
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Erfindungsgemäß wird, um die durch das Meßfeld hervorgerufene, einseitige,
räumliche Verlagerung der Ladungsträger im Halbleiter während der Messung
zu verringern,
insbesondere um das Verschwinden der Ladungsträger in den Zuleitungselektroden zu
dem Halbleiter zu verhindern, für die an den Halbleiter angelegte Spannung ein derartig
kurzzeitiger Verlauf gewählt, daß das durch sie im Halbleiter erzeugte elektrische
Feld die Ladungsträger während ihrer Lebensdauer nicht aus dem Haibleiterinnern
hinaustreibt.
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Der Spannungsverlauf kann insbesondere die Form unipolarer Impulse
haben, und die Dauer der Impulse ist klein gegenüber der Lebensdauer der Ladungsträger.
Außerdem wird das Verhältnis von Impulsdauer zu Impulspause kleiner als 1 gehalten.
Bei einer Lebensdauer der Ladungsträger von 100 llsec werden beispielsweise Impulsdauern
von 1 llsec und Impulspausen von 6 iisec gewählt.
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Die Impulsspannung kann höher sein als die bisher verwendeten Gleichspannungen,
wodurch eine Empfindlichkeitssteigerung der Anzeige erreicht wird. Je kürzer die
Impuls dauer bei vorgegebener Impulsfolgefrequenz ist, desto höher kann die Impulsspannung
sein. In dem angeführten Beispiel kann die Impulsspannung sechsmal höher sein als
die maximale Gleichspannung, die zur Erfassung noch praktisch aller Ladungsträger
his zu ihrem durch feldfreie Rekombination bedingten Lebensende gerade noch zulässig
ist. Es wird hierdurch eine Empfindlichkeitssteigerung um den Faktor 6 erzielt.
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Bei Anwendung unipolarer Impulse werden die Ladungsträger allmählich
in einer Richtung durch den Halbleiter getrieben. Bei sehr hoher spezifischer Leitfähigkeit
des Halbleiters und der dadurch bedingten Meßunempfindlichkeit kann wegen der beschränkten
Kleinheit der Impuls dauer der Fall eintreten, daß die Empfindlichkeitssteigerung
durch Anwendung
tinipolarer Impulse nicht ausreicht. In solchen
Fällen ist es vorteilhaft, statt dessen Dipolare Impulse zu verwenden, unter deren
Einfluß die Ladungsträger allein um eine Ruhelage herumpendeln. Die Impuls dauer
dieser bipolaren Impulse ist ebenfalls klein gegenüber der Lebensdauer der Ladungsträger
zu halten.
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Statt bipolarer Impulse kann man auch eine Wech sel spannung verwenden,
deren Periode klein gegenüber der Lebensdauer der Ladungsträger ist.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere zur Messung
verhältnismäßig langer Lebensdauern von Ladungsträgern und zur Messung der Lebensdauer
von Ladungsträgern in Halbleitern verhältnismäßig hoher Leitfähigkeit, also z. B.
in stark mit Donatoren oder Akzeptoren dotierten Silizium- oder Germaniumkristallen.
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Einzelheiten des Verfahrens gemäß der Erfindung und von Anordnungen
zur Durchführung dieses Verfahrens werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren
erläutert: In Fig. 1 kennzeichnet 1 den Halbleiter, der über einen Vorwiderstand
2 an einen Impulsgenerator 3 angeschlossen ist. Auf den Halbleiter 1 wird ein Lichtblitz
4 gerichtet. Die in dem Halbleiter 1 abfallende Spannung wird in einem Elektronenstrahloszillographen
5 angezeigt.
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Die Lichtblitze 4 sind mit der Zeitablenkung des Kathodenstrahls
der Kathodenstrahlröhre synchronisiert, beispielsweise mit dem periodischen Zeitpunkt
6 auf der Zeitachse des Kathodenstrahloszillographen 5.
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Die Anstiegsdauer der Lichtblitzintensität ist dabei klein gegenüber
der Lebensdauer der Ladungsträger zu halten, etwa gleich der Dauer der Impulse.
Nach Auftreffen eines Lichtblitzes 4 auf den Halbleiter 1 wird zu den Zeiten, an
denen die Impulsspannungen an dem Halbleiter 1 liegen, der Spannungsabfall an dem
Pl albleiter 1 als die Vertikalauslenkung des Kathodenstrahls in der Kathodenstrahlröhre
angezeigt. Dies ist durch die auf dem Kathodenstrahloszillographen 5 dargestellten
Impulse 7 angedeutet. Die Impulse 7 werden allmählich kleiner, da die Zahl der Ladungsträger
infolge Beendigung ihrer natürlichen Lebensdauer allmählich abnimmt. Vor dem Zeitpunkt
6 wird mir die Leitfähigkeit angezeigt, die der nicht durch einen Lichtblitz angeregte
Halbleiter hat. Dies ist markiert durch die Impulse konstanter Höhe 8.
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Die Geschwindigkeit der Zeitablenkung des Kathodenstrahls in dem
Kathodenstrahloszillographen 5 nimmt, vorzugsweise periodisch, exponentiell mit
der Zeit ab und ist hinsichtlich der Zeitkonstanten dieses exponentiellen Abklingens
einstellbar. Hierdurch kann man erreichen, daß die Spitzen der Impulsachse 7 auf
einer geraden Linie liegen, da nämlich auch die Zahl der Ladungsträger im Laufe
der Zeit nach dem Lichtblitz exponentiell abklingt.
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Ein solches Vorgehen vereinfacht die Auswertung des Oszillogramms.
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Ist die angezeigte Leitfähigkeitserhöhung 9 gering gegenüber der
Höhe der Impulse 8, so ist es zweckmäßig, eine Schaltung zu wählen, die die Impulse
8 nicht anzeigt. Eine solche Schaltung ist in Fig. 2 angegeben. Der Impulsgenerator
20 wird an einer Brückenschaltung angeschlossen, in deren einem Zweig der Halbleiter
21 und ein Widerstand 22 und in deren anderem Zweig ein Widerstand 23 und ein veränderbarer
Widerstand 24 liegen. Die Darstellung beschränkt sich auf die Wiedergabe von Gleichstromwiderständen.
Tatsächlich können statt dessen in bekannter Weise auch Wechselstromwiderstände
vorgesehen sein. Tm Nullzvweig der Brücke liegt der
Kathodenstrahloszillograph 25.
Die Brücke ist durch Einstellung des Widerstandes 24 derart abgeglichen, daß bei
angelegter Impulsspannung durch den Nullzweig kein Strom fließt, wenn der Halbleiter
nicht belichtet wurde. Er zeigt daher nur die Leitfähigkeit an, die durch die Lichtblitze
hervorgerufen wurden, also nur die Impulse 26, die den Impulsen 7 in Fig. 1 entsprechen,
nicht aber Impulse, die den Impulsen 8 in Fig. 1 entsprechen.
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Verwendet man statt des unipolaren Impulsgenerators 3 in Fig. 1 einen
Dipolarimpulsgenerator, so erhält man ein Kathodenstrahloszillogramm, wie es in
Fig. 3 skizziert ist. Hier ist der Impulsverlauf in Abhängigkeit von der Zeit t
als Spannungsverlauf U dargestellt. Der Einfachheit halber sind die Impulse in äquidistanter
Reihenfolge gezeichnet, was eigentlich nur für eine lineare Zeitbasis zutrifft.
Der Lichtblitz setzt beispielsweise zum Zeitpunkt 30 ein. Man erhält sowohl oberhalb
als auch unterhalb der Zeitachse durch Verbindung der Impulsspitzen ein Bild der
allmählich abklingenden Leitfähigkeit im Halbleiter, aus der man die Lebensdauer
der Ladungsträger ermitteln kann.
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Verwendet man statt der bipolaren Impulse eine Glechselspannung,
so ergibt sich im wesentlichen das gleiche Bild, nur sind die Spitzen der Impulse
angerundet. Da die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls in der Vertikalen wesentlich
größer ist als in der Horizontalen, sieht man praktisch auf der Kathodenstrahlröhre
die Spitzen der Impulse wesentlich stärker als ihre Flanken, so daß man bei hinreichender
Impulsdichte ein Bild bekommt, wie es schematisch in Fig. 4 skizziert ist. Zur Erzeugung
dieses Bildes trägt noch bei, daß die Generatorimpulse nicht synchronisiert mit
der Zeitablenkung zu sein brauchen, so daß in jeder Periode die Impulsspitzen an
etwas verschiedenen Orten liegen. Dadurch ergibt sich ein kontinuierliches Bild.
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Wendet man das Kompensationsverfahren nach Fig. 2 an, so ergibt sich
ein Bild. wie es beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist. In diesem Bild ist noch
ein weiterer praktisch auftretender Effekt angedeutet.
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Der Abfall der Impulsspitzen ist in zwei Abschnitten 50 und 51 linear
(die Linearität ist durch die exponenfelle Zeitablenkung erzeugt, wie bereits oben
ausgeführt) Die Abschnitte 50 und 51 zeigen aber verschiedene Neigung. Dies bedeutet.
daß die Ladungsträger zunächst mit einer Zeitkonstanten T1 abklingen und später
mit einer davon verschiedenen Zeitkonstanten T2.
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Um diesen Effekt herauszupräparieren, ist es vorteil haft, die Nullinien
für die positiven Impulsbilder gegenüber der Nullinie für die negativen Impulsbilder
zu verschieben, was in bekannter Weise möglich ist.
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Man erhält dann ein Bild, wie es in Fig. 6 skizziert ist. Hier sind
die beiden Übergangspunkte 52 und 53 aufeinandergelegt (gemeinsamer Punkt 60).
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Das beanspruchte Verfahren wurde erläutert für den am häufigsten
auftretenden Fall, daß der Halbleiter galvanisch an Spannung gelegt ist. Dieses
Verfahren läßt sich aber auch sinngemäß abwandeln, wenn man den Halbleiter nur kapazitiv
an Spannung legt, so daß er also als Dielektrikum wirkt. Wiederum ist hier die angelegte
Spannung impulsförmig oder periodisch, und auch die Lichtanregung des Halbleiters
ist periodisch. Angezeigt und gemessen werden dann die durch die Lichtblitze im
Halbleiter hervorgerufenen Veränderungen seiner dielektrischen Ei genschaften (D
ielektrizitätskonstante, Verlustwinkel).
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Weiterhin läßt sich sinngemäß der Halbleiter auch als Magnetikuin
in einer Spule anordnen, die periodisch
oder pulsierend an Spannung
gelegt wird. Es werden dann die Veränderungen der Induktivität oder des Verlustwinkels
dieser Spule in Abhängigkeit des periodisch erfolgenden Anregungszustandes des Halbleiters
gemessen.
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In diesen beiden letztgenannten Fällen gewinnt man den Vorteil, daß
man den Halbleiter nicht zu kontaktieren braucht; man vermeidet also eine Einwirkung
von Effekten, die durch eine solche Kontaktierung bedingt sind.
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PATENTANSPRtSCHE 1. Verfahren zur Messung der Lebensdauer von Ladungsträgern
in Halbleitern, bei dem Ladungsträger fotoelektrisch in dem Halbleiter erzeugt werden
und die dadurch hervorgerufenen Anderungen des elektrischen Widerstandes des Halbleiters
in Abhängigkeit von der Zeit gemessen werden, wozu an den Halbleiter eine Spannung
gelegt und der Spannungsabfall im Halbleiter ge messen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß, um die durch das Meßfeld hervorgerufene, einseitige, räumliche Verlagerung
der Ladungsträger im Halbleiter während der Messung zu verringern, insbesondere
um das Verschwinden der Ladungsträger in den Zuleitungs elektro den zu dem Halbleiter
zu verhindern, für die an den Halbleiter angelegte Spannung ein derartig kurzzeitiger
Verlauf gewählt wird, daß das durch sie im Halbleiter erzeugte elektrische Feld
die Ladungsträger während ihrer Lebensdauer nicht aus dem Halbleiterinnern hinau
streibt.