基于高频光电导法半导体少数载流子寿命测量系统的设计与实现

赵 昭，高子兴，李 洁

（中国电子技术标准化研究院，北京 100176）

1 引 言

少数载流子寿命（简称少子寿命）是半导体材料的一个重要参数，用于表征半导体材料的质量。晶体管的放大倍数、开关管的开关时间等性能参数与制作器件的半导体材料的少数载流子寿命值有直接关系。 目前，少数载流子寿命常用的测量方法包括直流和高频光电导衰减法两种。 其中，高频光电导衰减法是基于电容耦合方式，在直流光电导衰减法的基础上发展而来的。 这种方法在测量时不需要切割样品、简便迅速，是目前使用最为广泛的方法。

目前，对少子寿命测量系统信号处理的方法主要是通过检波电路从高频调幅信号中取出单向包络信号，经过信号放大后，通过示波器等设备测量出少子寿命。 检波二极管是检波电路中应用较为广泛的非线性元器件［1］，其通过单向导通性结合低通滤波器滤除高频信号，实现对高频调幅信号的解调。 但因检波二极管自身存在势垒电压，导致解调后信号的幅值比高频调幅信号的幅值低，增大了少子寿命测量误差。 因此为减小在测量少子寿命时，由检波二极管势垒电压带来的测量误差，基于二极管检波电路原理的基础上，通过运算放大器反馈原理，改进信号处理电路，提高测量系统的准确性。

2 少子寿命测量原理

半导体材料（如硅）在受到光照的情况下，会在表面及体内产生新的（非平衡）载流子。 当外界作用撤除后，它们会通过单晶体内由重金属杂质和缺陷形成的复合中心逐渐消失，杂质、缺陷愈多，非平衡载流子消失得愈快。 在复合过程中，少数载流子起主导和决定作用，这些非平衡少数载流子在单晶体内平均存在的时间就简称少子寿命。 高频光电导法是利用光照方法把光生少数载流子注入到半导体内，并测量达到平衡时的时间，得出少子寿命值。

高频光电导衰减法测量少子寿命主要包括如下3 个步骤［2－6］：

1）通过高频电源的电容耦合方式，在半导体材料内产生一个频率与高频源相同的高频电流；

2）给半导体材料施加稳定的脉冲光，使半导体材料受到激发产生非平衡载流子，增加电导率，使流过的高频电流频率不变、幅值增加；

3）去掉脉冲光，半导体材料中少子浓度按指数规律衰减［7，8］，高频电流的幅值也逐渐减少，最后恢复到无脉冲光时的幅值。 在此过程中，通过测量高频电流信号衰减至1／e倍时所用的时间，确定少子寿命。

各状态下高频电流信号波形如图1 所示。

图1 各状态下高频电流信号波形图Fig.1 Waveform of high frequency current signal in each state

基于高频光电导少子寿命测量系统由高频源部分、脉冲光源部分、信号处理系统（检波电路模块、放大电路模块、采集模块）以及载片台组成。 其测试系统组成如图2 所示。

图2 测试系统组成框图Fig.2 Block diagram of test system composition

3 信号处理系统设计

该信号处理系统通过采样电阻将高频电流信号转化为高频电压信号，经过检波电路模块、放大电路模块、采集模块测量出少子寿命衰减曲线。

3.1 检波电路模块

3.1.1 二极管检波电路基本原理

二极管检波电路是利用二极管的单向导通性实现的，其电路原理如图3 所示。

图3 二极管检波电路原理图Fig.3 Diagram of diode detection circuit

高频电流信号Ii经采样电阻RS转换成高频电压信号Ui。 当Ui－Uo＞UD时（UD为检波二极管的势垒电压），检波二极管D1导通，Ui经过D1对高频滤波电容C1充电，若充电时间常数满足：

式中：RD——二极管导通电阻，Ω；C1——电容值，F；Ti——高频电压信号Ui的周期，s。

此时，C1快速充至Ui－UD。 当Ui－Uo＜UD时，D1截至，C1向负载电阻RL放电，若放电时间常数满足：

式中：RL——负载电阻值，Ω。

此时C1向负载电阻RL缓慢放电。 通过C1不断的快速充电和缓慢放电，使输出Uo＝Ui－UD。

3.1.2 反馈式检波电路

该电路在二极管检波电路原理的基础上，增加两级运算放大器，减小了检波二极管势垒电压对测量检波信号时产生的误差，同时采用三极管放大运算放大器的输出电流，加快高频滤波电容的充电速度。 基本原理如图4 所示，其中V＋＞Ui＋UD。

图4 反馈式检波电路原理图Fig.4 Schematic diagram of feedback detection circuit

前级运算放大器A1的功能是比较同相输入Ui和反馈输入Uo的值，控制三极管Q1的通断，进而控制对电容C1充电时间。 后级运算放大器A2起到电压跟随的作用，使其输出电压Uo实时跟随C1两端的电压。

当Ui＞Uo时，A1输出端Uo1＝V＋，此时二极管D2截止，D3导通，三极管Q1处于导通放大状态，电流经过Q1放大后对高频滤波电容C1充电，使其快速达到Ui峰，Q1处于截止状态，高频滤波电容C1向负载电阻RL缓慢放电，直至Ui＞Uo，重新对C1充电，达到下一个峰值。

该检波电路的输出阻抗为：

式中：RA2——运算放大器A2的输出阻抗，Ω；R2——运放A2输出端电阻，Ω。

因为A2的输出阻抗很小，可忽略不计，则检波电路的输出阻抗可简化为：

3.1.3 主要元器件选型

1）检波二极管选型

该检波电路设计应用于频率为（25～30）MHz 的高频信号，因此检波二极管的工作频率应满足fD≥35 MHz，所以选用高频锗点接触型二极管2AP9，其工作频率为100 MHz，完全满足设计要求。

2）运算放大器选型

运算放大器的选择不仅要满足频率的要求，还要求输出电流和压摆率大，同时失调电压也要尽可能的小。 LM6171 运算放大器是一款高速电压反馈放大器，不仅可以提供3 600 V／μs 的高压摆率和还可以达到100 MHz 的单位增益带宽，同时还具有高输出电流驱动能力，满足设计需求。

3.2 放大电路模块

高速ADC 转换芯片模拟输入信号通常采用差分输入，其差分输入可以有效的抑制共模干扰，提高转换精度。 因此该信号放大电路采用差分驱动电路专用芯片AD8138 对前级输出信号Uo进行单端－差分信号转换，以提高对信号的测量精度。 其单端－差分信号放大电路如图5 所示。

图5 单端－差分信号放大电路Fig.5 Single⁃End⁃Differential Signal Amplifier Circuit

AD8138 同相端反馈回路由Rr，RG1，RG2，RF1组成，其反馈系数为：

式中：RF2——运放A3反向端反馈电阻，Ω。

对于单端－ 差分转换电路来说，应严格保证AD8138 正、反相端反馈系数的一致，即RF1＝RF2，RG3＝RG2＋RG1／ ／Ro，F＋＝F－，否则会引起输出差分误差，影响测量精度。

令RF＝RF1＝RF2，RG＝RG3＝RG2＋RG1／ ／Ro，则闭环增益G为：

3.3 采集模块

该部分采用由ADC ＋FPGA ＋DDR2 ＋外围电路组成的高速数据采集方案，通过AD9268 芯片采集放大后的电压信号，采集的数据经过低电压差分信号LVDS 传输到FPGA 的DDR3 储存器中保存。其模块框图如图6 所示。

图6 AD 采集模块框图Fig.6 Diagram of AD collection module

3.3.1 AD 芯片选型

差分输入模式具有更好的抑制电磁波等外界干扰的能力，所以该模块采用ADI 公司的AD9268。AD9268 是一款双通道、16 bit，80MSPS／105MSPS／125MSPS 的高精度、高速AD 转换芯片。 其差分输入信号最大峰峰值为2 V，可通过SPI 接口自由配置芯片内部寄存器，使其工作在指定模式，该芯片完全满足设计要求。

3.3.2 FGPA 选型

FPGA 选用XILINX 公司AC7A035 核心板，具有高速、高带宽、高容量等特点，适合高速数据采集方面的使用。 该FPGA 自带2 片DDR3 SDRAM，每片DDR3 容量为4 Gbit。 FPGA 和DDR3 之间的读写数据带宽高达25 Gb，足以满足与高速AD 芯片数据传输的需求。

3.3.3 时钟芯片选型

根据AD9268 芯片手册选用时钟驱动器芯片AD9510 为AD 芯片提供差分时钟信号。

4 检波电路仿真分析

为验证反馈式检波电路基本原理，确保该信号处理系统对高频电压信号具有良好的检波能力，使用Multisim 软件对图5 电路进行仿真验证。 在软件中用AC＿VOLTAGE，EXPONENETIAL，MULTIPLIER三个仿真元件构成衰减的振荡正弦波发生器，用以模拟高频调幅信号，通过修改EXPONENETIAL 下降时间常数γ可调节信号的衰减速率，幅值设为2 V，C1电容值设为1 nF，电阻R1阻值设为20 kΩ，将负载电阻RL设为参数扫描状态，其仿真波形如图7 所示。

图7 反馈式检波电路仿真波形图Fig.7 Simulation waveform of feedback detection circuit

从仿真波形看出，当放电时间常数C1RL过大时，C1放电过于缓慢，使C1两端电压变化速率小于高频电压信号的电压变化速率，导致检波信号无法跟随高频电压信号的变化，而出现惰性失真；当放电时间常数C1RL太小时，C1放电过快，使检波信号远小于高频电压信号的峰值，同样导致检波信号失真。

通过仿真结果验证，采用反馈式检波电路的信号处理系统解决了检波二极管的压降问题，同时通过调整C1电容值和RL电阻值实现了对不同频率、衰减速率的高频信号的检波，达到了预期实验结果。

5 实验验证

为进一步验证检波电路的工作原理及仿真结果的准确性，根据反馈式检波电路原理搭建信号处理系统实物并进行波形检验。 以一种N 型硅单晶样品为例，经过30 MHz 高频源、脉冲光源激发，信号处理系统处理。 通过示波器显示的少子寿命衰减曲线如图8 所示，该衰减曲线与半导体材料实际的少子寿命衰减信号相符合，证明了本设计的可行性。

图8 硅单晶少数载流子寿命衰减波形图Fig.8 Minority carrier lifetime decay waveform of silicon single crystal

6 结束语

基于高频光电导法，研制了半导体材料少数载流子寿命测量系统，针对测量系统的信号处理部分，在检波二极管电路基础上，增加两级运算放大器。通过前级运算放大器的负反馈原理和后级运算放大器的电压跟随原理解决了检波二极管带来的压降问题。 实验结果表明，改进后的少数载流子寿命测量系统系统有效提高了半导体材料少子寿命测量的准确性。