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1、少子寿命的复合原理及少子寿命的复合原理及少子与转换效率的关系少子与转换效率的关系 目目 录录一、复合理论一、复合理论二、少子寿命测试方法及原理二、少子寿命测试方法及原理三、少子寿命与电池效率的关系三、少子寿命与电池效率的关系一、复合理论 所有处在导带中的电子都是亚稳定状态所有处在导带中的电子都是亚稳定状态的，并最终会回到价带中更低的能量状态。的，并最终会回到价带中更低的能量状态。即必然会跃迁回到一个空的价带能级中。即必然会跃迁回到一个空的价带能级中。导带电子回到价带的同时也有效地消导带电子回到价带的同时也有效地消除了一个空穴。这个过程叫做复合。除了一个空穴。这个过程叫做复合。（1 1）按复合相
2、关的能级：）按复合相关的能级：直接复合 间接复合（2 2）按复合过程发生的位置：）按复合过程发生的位置：体内复合、表面复合（3 3）按复合时放出能量的方式：）按复合时放出能量的方式：辐射复合：发射光子，能量光子 发射声子：发射声子，能量晶格振动 俄歇复合：能量其它载流子一、复合理论复合分类：复合分类：概念：概念：电子直接在导带和价带间电子直接在导带和价带间 跃迁而引起的非平衡载流子跃迁而引起的非平衡载流子 的复合过程。的复合过程。l在辐射复合中，电子与空穴直接在价带结合并释放一个光子。l释放的光子的能量近似于禁带宽度，所以吸收率很低，大部分能够飞出半导体。l载流子多余的能量是以光子的形式释放的
3、，或者为满足准动量守恒，在发射光子的同时，伴随着发射或吸收声子。1.1 直接复合r电子空穴的复合概率n0p0热平衡状态下电子、空穴浓度p非平衡载流子浓度大注入条件下，p（n0p0）少子寿命随非平衡载流子浓度而改少子寿命随非平衡载流子浓度而改变，在复合过程中不再是常数变，在复合过程中不再是常数直接复合对窄禁带半导体，和直接禁带半导体，占优势。直接复合对窄禁带半导体，和直接禁带半导体，占优势。1.1 直接复合概念：概念：电子通过禁带中缺陷、杂质能级的复合电子通过禁带中缺陷、杂质能级的复合复合中心：复合中心：促进复合过程的杂质和缺陷促进复合过程的杂质和缺陷考虑一种复合中心能级考虑一种复合中心能级Et
4、，存在四个相关的微观过程。，存在四个相关的微观过程。1.2 间接复合甲甲:俘获电子俘获电子 E Et t从从E Ec c俘获电子俘获电子乙乙:发射电子发射电子 E Et t上的电子激发到上的电子激发到E Ec c丙丙:俘获空穴俘获空穴 电子从电子从E Et t进入进入E EV V丁丁:发射空穴发射空穴 价带电子激发到价带电子激发到E Et t上上甲甲乙乙丙丙丁丁 通过复合中心的辐射也叫肖克莱通过复合中心的辐射也叫肖克莱-莱德莱德-霍尔或霍尔或SRHSRH复合，它不会发生在完全纯净的、没有缺陷的半导体复合，它不会发生在完全纯净的、没有缺陷的半导体材料中。材料中。1.2 间接复合1.2 间接复合n
5、 n1 1 费米能级与复合中心重合时导带的平衡电子浓度费米能级与复合中心重合时导带的平衡电子浓度p p1 1 费米能级与复合中心重合时价带的平衡空穴浓度费米能级与复合中心重合时价带的平衡空穴浓度Nt Nt 复合中心浓度复合中心浓度显然：显然：少子寿命少子寿命与复合中心浓度与复合中心浓度N Nt t成反比。成反比。当当Et Ei时，时，U最大，最大，=p/U最小最小 即缺陷能级位置在趋于禁带中部时，载流子的寿命最即缺陷能级位置在趋于禁带中部时，载流子的寿命最小，也就是和浅能级相比，深能级是更有效的复合中心。小，也就是和浅能级相比，深能级是更有效的复合中心。硅晶体中的硅晶体中的CuCu、Fe Fe
6、、AuAu等杂质形成的深能级均是有效等杂质形成的深能级均是有效的复合中心，从而降低硅块的复合中心，从而降低硅块/硅片少子寿命。硅片少子寿命。1.2 间接复合电子电子空穴对空穴对净产生速率净产生速率概念：概念：一个俄歇复合过程有三个载流子参与。载流子从一个俄歇复合过程有三个载流子参与。载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子空穴对复合时，释高能级向低能级跃迁，发生电子空穴对复合时，释放的能量传递给另一个载流子，使该载流子被激发到放的能量传递给另一个载流子，使该载流子被激发到更高的能级上去，被激发的载流子重新跃迁回低能级更高的能级上去，被激发的载流子重新跃迁回低能级时，多于能量以声子形式释放的过程，即
7、非辐射复合，时，多于能量以声子形式释放的过程，即非辐射复合，又叫俄歇复合。又叫俄歇复合。俄歇复合是俄歇复合是重掺杂材料重掺杂材料和和被加热至高温的材料被加热至高温的材料最最主要的复合形式。主要的复合形式。1.3 俄歇复合通常：通常：俄歇复合在俄歇复合在窄禁带半导体、高温窄禁带半导体、高温情况下起重要作用。情况下起重要作用。与杂质、缺陷有关的复合过程，常常是影响半导体发光器与杂质、缺陷有关的复合过程，常常是影响半导体发光器件的发光效率的重要因素。件的发光效率的重要因素。1.3 俄歇复合概念：概念：指在半导体表面发生的复合过程指在半导体表面发生的复合过程特点：特点：材料表面的杂质形成禁带中的复合中
8、心能级材料表面的杂质形成禁带中的复合中心能级 表面特有的缺陷形成禁带中的复合中心能级表面特有的缺陷形成禁带中的复合中心能级 是间接复合的复合机构是间接复合的复合机构 用间接复合理论来处理用间接复合理论来处理1.4 表面复合少子寿命与表面复合的关系：少子寿命与表面复合的关系：假设两种复合独立发生，则总复合概率为：假设两种复合独立发生，则总复合概率为：其中：其中：V V、S S 分别为体内、表面的少子寿命，分别为体内、表面的少子寿命，有效寿命有效寿命1/1/S S 表面复合概率，表面复合概率，1/1/V V 体内复合概率体内复合概率1.4 表面复合二、少子寿命 当存在光、电场等外界因素时，热平衡条
9、件被破坏，当存在光、电场等外界因素时，热平衡条件被破坏，材料中载流子的浓度将高于材料中载流子的浓度将高于n0、p0，称高出部分为，称高出部分为非平衡非平衡载流子载流子，也称，也称过剩载流子过剩载流子。p型半导体，空穴为型半导体，空穴为非平衡多数载流子，即多子非平衡多数载流子，即多子 电子为电子为非平衡少数载流子，即少子非平衡少数载流子，即少子非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命指非平衡载流子的平均生存时间，指非平衡载流子的平均生存时间，用用表示表示 载流子消失的过程，主要决定于非平衡少数载流子，载流子消失的过程，主要决定于非平衡少数载流子，因此非平衡载流子寿命通常可以用非平衡少数载流子寿命因此
10、非平衡载流子寿命通常可以用非平衡少数载流子寿命表示，称为少数载流子寿命，简称表示，称为少数载流子寿命，简称少子寿命少子寿命。二、少子寿命测试方法 少子寿命测量方法包括非平衡载流子的少子寿命测量方法包括非平衡载流子的注入注入和和检测检测两个基本方面。最常用的注入方法：光注入和电注入。两个基本方面。最常用的注入方法：光注入和电注入。少子寿命测试方法有一下几种：微波光电导衰减法（MW-PCD）；准稳态光电导法（QSSPC）；表面光电压法（SPV）；IR浓度载流子浓度成像（CDI）；调制自由载流子吸收（MFcA）；光子束诱导电流（LBIC）；电子束诱导电流（EBLC）。2.1 MW-PCD微波光电导衰
11、减法微波光电导衰减法(MW-PCD/-PCD)：主要包括主要包括激光注入产生电子激光注入产生电子-空穴对空穴对和和微波探测信号微波探测信号这两个过程。这两个过程。测试原理：测试原理：通过测试从样品表面反射的微波功率随时间变化曲线来记录光电导的衰减。优点：优点：不需要绝对测量过剩载流子的大小，而是通过光电导进行相对测量。缺点：缺点：当瞬态方法测量短的载流子寿命时，需要快的电子学设备记录非常快的光脉冲和光电导衰减信号。-PCD测试得到的是测试得到的是有效少子寿命。有效少子寿命。影响因素：影响因素：体寿命和表面寿命体寿命和表面寿命。有效少子寿命可由下式。有效少子寿命可由下式表示：表示：其中：diff
12、 少子从样品体内扩散到表面所需时间；surf 样品表面复合产生的表面寿命；meas 样品测试的少子寿命；d 样品厚度；S 表面复合速率；Dn，Dp 分别为电子和空穴的扩散系数。2.1 MW-PCD不同表面复合速率下，测试的少子寿命与体寿命的关系不同表面复合速率下，测试的少子寿命与体寿命的关系2.1 MW-PCD准稳态光电导法（准稳态光电导法（QSSPCQSSPC）测试原理：测试原理：通过射频电感耦合得到样品中的光电压或者光电流,光电流输出的时间分辨信号被示波器记录，最终经过计算机处理得到少子寿命的值。特点：特点：QSSPC直接就能够测得过剩载流子浓度，因此可以直接得出少子寿命与过剩载流子浓度的
13、关系曲线，且能得到PN结的暗饱和电流密度。2.2 QSSPC2.3 SPV表面光电压法（表面光电压法（SPVSPV）测试原理：测试原理：当光照在半导体表面时，产生电子一空穴对，一般而言在半导体近表面区域电子、空穴会从新分布，导致了能带弯曲的减少，这种能带弯曲的减少术语上称为表面光电压。SPV方法使用透明电极去测量由表面空间电荷区域聚集的载流子形成的电压。特点：特点：SPV方法适用于非常低的载流子注入水平。它是一种非损伤性的测试方法。光子束诱生电流法（光子束诱生电流法（LBICLBIC）测试原理：测试原理：测量具有一定大小、形状的单色光束激发太阳电池产生的电流的光谱响应特点：特点：因为LBIC通
14、过测试短路电流，能够给出半导体器件的光电学性能的直接信息，同时也能够给出晶粒边界的少子扩散长度，或者复合速度等。另外还能够结合光反射测量得到样品的内量子效率分布，它实际上是一种表征电池性能的很好方法。2.4 LBIC硅片硅片-PCD 与与PLPL图像图像3.少子寿命与电池效率的关系暗色区为位错群暗色区为位错群缺陷区域，缺陷区域，载流子复合速率大。载流子复合速率大。硅块硅块-PCD 与与PLPL影像影像3.少子寿命与电池效率的关系PLPL影像测试影像测试时间短，分时间短，分辨率更高辨率更高BT imaging Confidential一个硅块一个硅块不同位置不同位置硅片的硅片的PLPL图像图像硅片做成电池的硅片做成电池的LBICLBIC、PLPL图像图像3.少子寿命与电池效率的关系硅片硅片PLPL图像中的明暗与电池片的明暗相对应图像中的明暗与电池片的明暗相对应不同位置的硅片制备的电池不同位置的硅片制备的电池EffEff、VocVoc对比对比3.少子寿命与电池效率的关系不同位置的硅片制备的电池不同位置的硅片制备的电池EffEff、VocVoc对比对比3.少子寿命与电池效率的关系PLQSSPC-PCDPL与与QSSPC结果相似，而结果相似，而-PCD无细节。无细节。3.少子寿命与电池效率的关系