基于高頻光電導法半導體少數(shù)載流子壽命測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

趙 昭，高子興，李 潔

（中國電子技術標準化研究院，北京 100176）

1 引 言

少數(shù)載流子壽命（簡稱少子壽命）是半導體材料的一個重要參數(shù)，用于表征半導體材料的質量。晶體管的放大倍數(shù)、開關管的開關時間等性能參數(shù)與制作器件的半導體材料的少數(shù)載流子壽命值有直接關系。 目前，少數(shù)載流子壽命常用的測量方法包括直流和高頻光電導衰減法兩種。 其中，高頻光電導衰減法是基于電容耦合方式，在直流光電導衰減法的基礎上發(fā)展而來的。 這種方法在測量時不需要切割樣品、簡便迅速，是目前使用最為廣泛的方法。

目前，對少子壽命測量系統(tǒng)信號處理的方法主要是通過檢波電路從高頻調幅信號中取出單向包絡信號，經(jīng)過信號放大后，通過示波器等設備測量出少子壽命。 檢波二極管是檢波電路中應用較為廣泛的非線性元器件［1］，其通過單向導通性結合低通濾波器濾除高頻信號，實現(xiàn)對高頻調幅信號的解調。 但因檢波二極管自身存在勢壘電壓，導致解調后信號的幅值比高頻調幅信號的幅值低，增大了少子壽命測量誤差。 因此為減小在測量少子壽命時，由檢波二極管勢壘電壓帶來的測量誤差，基于二極管檢波電路原理的基礎上，通過運算放大器反饋原理，改進信號處理電路，提高測量系統(tǒng)的準確性。

2 少子壽命測量原理

半導體材料（如硅）在受到光照的情況下，會在表面及體內(nèi)產(chǎn)生新的（非平衡）載流子。 當外界作用撤除后，它們會通過單晶體內(nèi)由重金屬雜質和缺陷形成的復合中心逐漸消失，雜質、缺陷愈多，非平衡載流子消失得愈快。 在復合過程中，少數(shù)載流子起主導和決定作用，這些非平衡少數(shù)載流子在單晶體內(nèi)平均存在的時間就簡稱少子壽命。 高頻光電導法是利用光照方法把光生少數(shù)載流子注入到半導體內(nèi)，并測量達到平衡時的時間，得出少子壽命值。

高頻光電導衰減法測量少子壽命主要包括如下3 個步驟［2－6］：

1）通過高頻電源的電容耦合方式，在半導體材料內(nèi)產(chǎn)生一個頻率與高頻源相同的高頻電流；

2）給半導體材料施加穩(wěn)定的脈沖光，使半導體材料受到激發(fā)產(chǎn)生非平衡載流子，增加電導率，使流過的高頻電流頻率不變、幅值增加；

3）去掉脈沖光，半導體材料中少子濃度按指數(shù)規(guī)律衰減［7，8］，高頻電流的幅值也逐漸減少，最后恢復到無脈沖光時的幅值。 在此過程中，通過測量高頻電流信號衰減至1／e倍時所用的時間，確定少子壽命。

各狀態(tài)下高頻電流信號波形如圖1 所示。

圖1 各狀態(tài)下高頻電流信號波形圖Fig.1 Waveform of high frequency current signal in each state

基于高頻光電導少子壽命測量系統(tǒng)由高頻源部分、脈沖光源部分、信號處理系統(tǒng)（檢波電路模塊、放大電路模塊、采集模塊）以及載片臺組成。 其測試系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 測試系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of test system composition

3 信號處理系統(tǒng)設計

該信號處理系統(tǒng)通過采樣電阻將高頻電流信號轉化為高頻電壓信號，經(jīng)過檢波電路模塊、放大電路模塊、采集模塊測量出少子壽命衰減曲線。

3.1 檢波電路模塊

3.1.1 二極管檢波電路基本原理

二極管檢波電路是利用二極管的單向導通性實現(xiàn)的，其電路原理如圖3 所示。

圖3 二極管檢波電路原理圖Fig.3 Diagram of diode detection circuit

高頻電流信號Ii經(jīng)采樣電阻RS轉換成高頻電壓信號Ui。 當Ui－Uo＞UD時（UD為檢波二極管的勢壘電壓），檢波二極管D1導通，Ui經(jīng)過D1對高頻濾波電容C1充電，若充電時間常數(shù)滿足：

式中：RD——二極管導通電阻，Ω；C1——電容值，F(xiàn)；Ti——高頻電壓信號Ui的周期，s。

此時，C1快速充至Ui－UD。 當Ui－Uo＜UD時，D1截至，C1向負載電阻RL放電，若放電時間常數(shù)滿足：

式中：RL——負載電阻值，Ω。

此時C1向負載電阻RL緩慢放電。 通過C1不斷的快速充電和緩慢放電，使輸出Uo＝Ui－UD。

3.1.2 反饋式檢波電路

該電路在二極管檢波電路原理的基礎上，增加兩級運算放大器，減小了檢波二極管勢壘電壓對測量檢波信號時產(chǎn)生的誤差，同時采用三極管放大運算放大器的輸出電流，加快高頻濾波電容的充電速度。 基本原理如圖4 所示，其中V＋＞Ui＋UD。

圖4 反饋式檢波電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of feedback detection circuit

前級運算放大器A1的功能是比較同相輸入Ui和反饋輸入Uo的值，控制三極管Q1的通斷，進而控制對電容C1充電時間。 后級運算放大器A2起到電壓跟隨的作用，使其輸出電壓Uo實時跟隨C1兩端的電壓。

當Ui＞Uo時，A1輸出端Uo1＝V＋，此時二極管D2截止，D3導通，三極管Q1處于導通放大狀態(tài)，電流經(jīng)過Q1放大后對高頻濾波電容C1充電，使其快速達到Ui峰，Q1處于截止狀態(tài)，高頻濾波電容C1向負載電阻RL緩慢放電，直至Ui＞Uo，重新對C1充電，達到下一個峰值。

該檢波電路的輸出阻抗為：

式中：RA2——運算放大器A2的輸出阻抗，Ω；R2——運放A2輸出端電阻，Ω。

因為A2的輸出阻抗很小，可忽略不計，則檢波電路的輸出阻抗可簡化為：

3.1.3 主要元器件選型

1）檢波二極管選型

該檢波電路設計應用于頻率為（25～30）MHz 的高頻信號，因此檢波二極管的工作頻率應滿足fD≥35 MHz，所以選用高頻鍺點接觸型二極管2AP9，其工作頻率為100 MHz，完全滿足設計要求。

2）運算放大器選型

運算放大器的選擇不僅要滿足頻率的要求，還要求輸出電流和壓擺率大，同時失調電壓也要盡可能的小。 LM6171 運算放大器是一款高速電壓反饋放大器，不僅可以提供3 600 V／μs 的高壓擺率和還可以達到100 MHz 的單位增益帶寬，同時還具有高輸出電流驅動能力，滿足設計需求。

3.2 放大電路模塊

高速ADC 轉換芯片模擬輸入信號通常采用差分輸入，其差分輸入可以有效的抑制共模干擾，提高轉換精度。 因此該信號放大電路采用差分驅動電路專用芯片AD8138 對前級輸出信號Uo進行單端－差分信號轉換，以提高對信號的測量精度。 其單端－差分信號放大電路如圖5 所示。

圖5 單端－差分信號放大電路Fig.5 Single?End?Differential Signal Amplifier Circuit

AD8138 同相端反饋回路由Rr，RG1，RG2，RF1組成，其反饋系數(shù)為：

式中：RF2——運放A3反向端反饋電阻，Ω。

對于單端－ 差分轉換電路來說，應嚴格保證AD8138 正、反相端反饋系數(shù)的一致，即RF1＝RF2，RG3＝RG2＋RG1／ ／Ro，F(xiàn)＋＝F－，否則會引起輸出差分誤差，影響測量精度。

令RF＝RF1＝RF2，RG＝RG3＝RG2＋RG1／ ／Ro，則閉環(huán)增益G為：

3.3 采集模塊

該部分采用由ADC ＋FPGA ＋DDR2 ＋外圍電路組成的高速數(shù)據(jù)采集方案，通過AD9268 芯片采集放大后的電壓信號，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過低電壓差分信號LVDS 傳輸?shù)紽PGA 的DDR3 儲存器中保存。其模塊框圖如圖6 所示。

圖6 AD 采集模塊框圖Fig.6 Diagram of AD collection module

3.3.1 AD 芯片選型

差分輸入模式具有更好的抑制電磁波等外界干擾的能力，所以該模塊采用ADI 公司的AD9268。AD9268 是一款雙通道、16 bit，80MSPS／105MSPS／125MSPS 的高精度、高速AD 轉換芯片。 其差分輸入信號最大峰峰值為2 V，可通過SPI 接口自由配置芯片內(nèi)部寄存器，使其工作在指定模式，該芯片完全滿足設計要求。

3.3.2 FGPA 選型

FPGA 選用XILINX 公司AC7A035 核心板，具有高速、高帶寬、高容量等特點，適合高速數(shù)據(jù)采集方面的使用。 該FPGA 自帶2 片DDR3 SDRAM，每片DDR3 容量為4 Gbit。 FPGA 和DDR3 之間的讀寫數(shù)據(jù)帶寬高達25 Gb，足以滿足與高速AD 芯片數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

3.3.3 時鐘芯片選型

根據(jù)AD9268 芯片手冊選用時鐘驅動器芯片AD9510 為AD 芯片提供差分時鐘信號。

4 檢波電路仿真分析

為驗證反饋式檢波電路基本原理，確保該信號處理系統(tǒng)對高頻電壓信號具有良好的檢波能力，使用Multisim 軟件對圖5 電路進行仿真驗證。 在軟件中用AC＿VOLTAGE，EXPONENETIAL，MULTIPLIER三個仿真元件構成衰減的振蕩正弦波發(fā)生器，用以模擬高頻調幅信號，通過修改EXPONENETIAL 下降時間常數(shù)γ可調節(jié)信號的衰減速率，幅值設為2 V，C1電容值設為1 nF，電阻R1阻值設為20 kΩ，將負載電阻RL設為參數(shù)掃描狀態(tài)，其仿真波形如圖7 所示。

圖7 反饋式檢波電路仿真波形圖Fig.7 Simulation waveform of feedback detection circuit

從仿真波形看出，當放電時間常數(shù)C1RL過大時，C1放電過于緩慢，使C1兩端電壓變化速率小于高頻電壓信號的電壓變化速率，導致檢波信號無法跟隨高頻電壓信號的變化，而出現(xiàn)惰性失真；當放電時間常數(shù)C1RL太小時，C1放電過快，使檢波信號遠小于高頻電壓信號的峰值，同樣導致檢波信號失真。

通過仿真結果驗證，采用反饋式檢波電路的信號處理系統(tǒng)解決了檢波二極管的壓降問題，同時通過調整C1電容值和RL電阻值實現(xiàn)了對不同頻率、衰減速率的高頻信號的檢波，達到了預期實驗結果。

5 實驗驗證

為進一步驗證檢波電路的工作原理及仿真結果的準確性，根據(jù)反饋式檢波電路原理搭建信號處理系統(tǒng)實物并進行波形檢驗。 以一種N 型硅單晶樣品為例，經(jīng)過30 MHz 高頻源、脈沖光源激發(fā)，信號處理系統(tǒng)處理。 通過示波器顯示的少子壽命衰減曲線如圖8 所示，該衰減曲線與半導體材料實際的少子壽命衰減信號相符合，證明了本設計的可行性。

圖8 硅單晶少數(shù)載流子壽命衰減波形圖Fig.8 Minority carrier lifetime decay waveform of silicon single crystal

6 結束語

基于高頻光電導法，研制了半導體材料少數(shù)載流子壽命測量系統(tǒng)，針對測量系統(tǒng)的信號處理部分，在檢波二極管電路基礎上，增加兩級運算放大器。通過前級運算放大器的負反饋原理和后級運算放大器的電壓跟隨原理解決了檢波二極管帶來的壓降問題。 實驗結果表明，改進后的少數(shù)載流子壽命測量系統(tǒng)系統(tǒng)有效提高了半導體材料少子壽命測量的準確性。