专利名称：长波碲镉汞光伏器件物理参数的检测方法
技术领域：
本发明涉及一种无损的器件物理参数的分析方法，具体地说，是通过测量光伏器件的电流-电压(I-V)曲线或电阻-电压(R-V)曲线，然后根据碲镉汞的暗电流模型拟合获得器件的物理参数。
背景技术：
传统的载流子浓度、电子迁移率的检测手段一般为霍尔法；少子寿命的检测手段有很多，常用的有光调制红外吸收法。这些方法只适用于具体某种掺杂类型的材料，而无法直接对已经形成pn结的器件进行检测。对于离子注入成结的n-on-p型器件，其结区特征参数还不是很清楚，现在的主流观点认为是离子注入造成的材料损伤形成了n型掺杂；因此采用典型的掺杂区确定方法——二次离子质谱仪，已无法直接测定n区的载流子浓度。为此，虽然可以用霍尔测量等典型方法或光学手段对碲镉汞材料的基本参数进行测定，但由于pn结成结的复杂性，有时甚至连pn结的位置都无法明确地确定，所以目前pn结区中直接决定器件性能的材料基本参数尚无有效途径进行直接测定。光伏器件的I-V曲线和R-V曲线的测量非常简单可靠，只要建立准确的分析途径就能得到器件的物理参数。目前，典型的I-V和R-V特性分析基本采用顺序拟合模式来获得器件的基本特征参数；即，在不同的偏压范围使用在此范围内占主导的暗电流机制来进行拟合。然而，在大多数偏压下，许多器件常常有几种暗电流机制同时主导着它们的暗电流；这使得采用顺序拟合模式得到的拟合参数有很大的误差。为解决这个问题，需要发展一种同时在拟合偏压范围内对I-V特性或R-V特性进行拟合(同时拟合模式)的方法。然而，这种方法不仅耗费时间，而且在数学上往往会出现多极小值问题，所以目前同时拟合模式的参数提取方法还没能建立。为此，把一种可以准确地从I-V或R-V曲线中提取器件中材料基本参数新方法(同时拟合模式)与成熟的I-V或R-V曲线测量手段结合在一起将为碲镉汞长波器件分析提供全新的途径。
发明内容
本发明的目的在于根据碲镉汞长波器件的暗电流基本物理模型，建立了一种采用同时拟合模式的快速器件参数检测方法。
光伏型碲镉汞探测器的暗电流主要来源于四种机制扩散电流(Idiff)、产生复合电流(Igr)、陷阱辅助隧穿电流(Itat)和带到带直接隧穿电流(Ibbt)。扩散电流是pn结光二极管的基本电流机制，它主要产生于耗尽区两侧一个少子扩散长度内的电子-空穴对的随即热产生与复合过程。其表达式可以写为Idiff=Aqni2kTq(μnτn·1Na+μpτp·1Nd)(exp(qVdkT)-1)---(1)]]>位于耗尽区的杂质或缺陷可作为产生复合中心，引起的电流即为产生复合电流，可表述为Igr=A·niW0kTτ0Vbi2sinh(qVd2kT)(1-VdVbi)12·f(b)]]>(2)式中，f(b)是一个积分因子，可表示为
f(b)=∫0∞duu2+2bu+1=ln(b+b2-1)b2-1(b>1)1b(b=1)11-b2[π2-arctgb1-b2](b<1)]]>(3)式中，b=exp(-qVd2KT)cosh[Et-EikT+12ln(τpτn)].]]>在反向偏压下，pn结耗尽区内的电子，可以借助隧道效应，从价带直接进入导带，形成通过pn结的直接隧穿电流 隧穿过程也可以通过耗尽区内的杂质或缺陷作为中间态实现，即陷阱辅助隧穿电流Itat=-A·π2q2Ntme*M2(Vbi-Vd)h3(Eg-Et)exp(-3Eg2F(a)82qPE)]]>(5)式中，F(a)=π2+sin-1(1-2a)+2(1-2a)a(1-a),]]>a＝Et/Eg。
暗电流表达式中，P是Kane矩阵元，取值8.49×10-8eV·cm；M是跃迁矩阵元，有(me*/m0)M2＝1×10-23eV2·cm3；W0是零偏下的耗尽区宽度；E＝(Vbi-Vd)/W是耗尽区的电场；耗尽区宽度可表示为W=2ϵsϵ0(Na+Nd)(Vbi-Vd)qNaNd.]]>与扩散电流相联系的电阻可表述为Rdiff=(dIdiffdVe)-1;]]>与产生复合电流相联系的电阻可表述为Rgr=(dIgrdVe)-1;]]>与陷阱辅助隧穿电流相联系的电阻可表述为Rtat=(dItatdVe)-1;]]>与带到带隧穿电流相联系的电阻可表述为Rbbt=(dIbbtdVe)-1;]]>Rs为器件的串联电阻；所以总的动态电阻可以表示为Rfit=(1Rdiff+1Rgr+1Rtat+1Rbbt)-1+Rs---(6)]]>目前，主流的碲镉汞焦平面探测器为在汞空位掺杂的p型材料上采用B离子注入成结的n-on-p型平面结。对于这种类型的器件，需要拟合提取的参数主要有六个n区掺杂浓度Nd、p区电子迁移率与寿命之比μn/τn、空间电荷区有效寿命τ0、陷阱能级相对位置Et/Eg和陷阱浓度Nt，以及串联电阻Rs。
由于(6)式是六个参数形成的函数，在拟合过程中，其目标函数是由六个参数形成的6维空间中的多极小值函数，所以这种方法取得的拟合参数与拟合前参数初值的选取有很大关系，其误差范围较难确定；而且，由于参数的合理变化范围比较大，所需要花费拟合时间也相应增长，因此寻求一种快捷、准确的拟合途径是很有必要的。
从上面的分析可以看出，拟合方法的改进主要应该在拟合参数初值的选取上。因此，拟合过程的第一步首先是确定初值。对任一偏压，假设理论值等于实验值，那么根据式(6)，可建立方程Rexp-(1Rdiff+1Rgr+1Rtat+1Rbbt)-1-Rs=0---(7)]]>方程(7)中包含六个未知量，即六个拟合参数。只要在实验曲线上选取六个特征点，就可以得到一个六元超越方程的方程组。求解方程组，即可得到拟合参数的初值。由于方程(7)是非线性超越方程，需要使用泰勒级数将非线性项展开，然后迭代求解；所以在求解过程中，仍旧需要选定一组初值。在这个过程中，又会存在容错性问题当初值偏离方程解一定范围时，方程求解出现发散。因此，直接求解六元方程组在实际操作中不可行。
需要进行假设近似来求解(7)式。知道长波碲镉汞二极管的四种暗电流机制在各个偏压段所起的作用各不相同大正偏压下，扩散电流为主导；零偏和小正偏时，产生复合电流为主导；小反偏下，陷阱辅助隧穿为主导；大反偏下，带到带直接隧穿为主导；而器件的串联电阻一般远小于pn结电阻，仅在非常大的正偏时起作用，在求初值时可以将串联电阻忽略。虽然它们之间的作用范围会存在交叠甚至掩盖，但这个一般性规律也为求解方程(7)提供了假设依据。
首先，发现带到带直接隧穿机制只与拟合参数Nd有关。只要在大反偏下找一实验点，认为此偏压下暗电流由带到带隧穿机制主导，方程(7)可以简化为Rexp-Rbbt＝0(8)方程(8)为一元超越方程，可很容易地求得Nd。
在大正偏下的暗电流由扩散机制主导，方程(7)可以简化为Rexp-Rdiff(9)扩散电流与参数Nd和μn/τn有关，将大正偏压下的一实验点和所得的Nd代入，方程(7)为一元超越方程，可求得μn/τn。
在小正偏压下，认为暗电流来自产生复合机制和扩散机制共同作用，方程(7)可以简化为Rexp-(1Rdiff+1Rgr)-1=0---(10)]]>产生复合电流与参数Nd、μn/τn和τ0有关，将小正偏压下的一实验点和所得的Nd、μn/τn代入，方程(10)为一元超越方程，可求得τ0。
最后，在中等反偏压下，认为暗电流来自产生复合机制、陷阱辅助隧穿机制和带到带隧穿机制共同作用，方程(7)可以简化为Rexp-(1Rgr+1Rtat+1Rbbt)-1=0---(11)]]>陷阱辅助隧穿电流与参数Nd、Et/Eg和Nt有关，方程(11)为二元超越方程，需选取两个实验点采用搜索法和迭代法结合的办法来求解Et/Eg和Nt。首先考虑搜索法Et/Eg存在一合理范围(0.2～0.8)，并在这一范围以0.01的步长变化。对每一Et/Eg对应两个实验点可分别求得两个Nt值；比较这两个Nt值，两者最接近时对应的Et/Eg则可作为迭代法的初值。在迭代过程中，第一步，将Nd、Et/Eg、τ0和中反偏下的一实验点代入式(11)中求得Nt；第二步，将Nd、Nt、τ0和中反偏下的另一实验点代入式(11)中求得一新的Et/Eg。然后，将这一新的Et/Eg作为初值重复第一步，开始另一循环；如此迭代直到达到收敛精度。采用这样的方法，可求得Et/Eg和Nt。
通过以上方法，能得到较为合理的拟合参数初值。根据初值，相应地也可以给出参数变化范围。如参数值钉扎在参数变化范围的边界上，则将参数变化范围再多放宽1倍。
在拟合过程中，每一参数由上述方法得到初值及变化范围，然后在变化范围内，对六个参数取不同组合值；每一组参数代入到(6)式中可以计算得到一条理论R-V曲线。取F=Σi=1N[log(Rfit(Vdi))-log(Rexp(Vdi))]2]]>为目标函数；其中，Rexp为实验值，N为数据个数。然后，采用标准的非线性梯度搜索法与N维函数全域极小值搜寻问题重构法结合来最小化目标函数F；F值越小，理论与实验越吻合。图1给出了拟合程序的流程图。图1中，循环结束的满足条件使用的判据为设定一循环次数n，当在n次循环过程中，目标函数函数值没有发生变化或者其变化小于某一精度时，循环结束。通过这样一个过程，我们总可以得到一条与实验比较吻合的理论R-V曲线，同时获得一组拟合参数，即为提取的器件参数。
图1为拟合程序的流程图。
图2为碲镉汞器件I-V特性测试实验设备结构示意图。
图3为实施例器件测试得到的R-V曲线及其拟合结果。
具体实施例方式基于上述思路，以下通过实施例及附图对本发明作进一步的详细说明。
器件I-V特性的测量是在如图2所示的实验设备上完成的。首先，打开放气阀，对真空腔体充气，将贴好样品的样品台固定在样品架上，将待测引针与测量导线焊接好。固定屏蔽罩，固定真空罩。然后，关闭放气阀，打开热偶硅管真空计，插上机械泵电磁阀开关，对腔体抽真空。当真空度达到0.1torr时，停止真空泵。再然后，打开冷却循环水，打开压缩机电源开关，对样品台进行冷却，打开温度控制仪(如Lakeshore331)，对样品台的温度进行监控。最后，当温度降到10k以下后，可在Lashore331上设置需要温度，待样品台温度达到设定值时，即可开始测量。由于在分析方法中求初值的第一步便是大反偏下求得与直接隧穿相关的n区载流子浓度初值，因此希望测得直接隧穿电流占完全主导的偏压范围的性能曲线，故反偏电压应该要适当大。在这里，所采用的测量偏压范围为-0.8～0.3V，偏压间隔为5mV。
器件的R-V特性是直接从实验测得的I-V曲线，利用数学微分关系R＝dV/dI得到(见图3)。得到R-V特性后，必须分别对六个拟合参数求初值。在-0.6V处选取实验值代入式(8)求得Nd初值为1.66×1016cm-3；在0.05V处选取实验值代入式(9)求得μn/τn初值为1.3×1013cm2/Vs2；在0V处选取实验值代入式(10)求得τ0初值为0.34ns；在-0.05V和-0.15V处选取两实验点代入式(11)求得Et/Eg和Nt的初值分别为0.471和1.78×1013cm-3；将正偏方向最后10个偏压点的电阻值求平均后作为串连电阻Rs的初值，为420Ω。
根据初值，得到参数的拟合范围；然后通过拟合，拟合结果见图3，最终得到拟合参数值Nd为2.35×1016cm-3；μn/τn为5.2×1013cm2/Vs2；τ0为0.036ns；Et/Eg和Nt分别为0.481和8.66×1012cm-3；Rs为473Ω。
权利要求
1.一种长波碲镉汞光伏器件物理参数的检测方法，包括步骤S1.测量碲镉汞光伏器件的I-V曲线；S2.利用关系式R＝dV/dI获得R-V曲线；S3.根据碲镉汞的暗电流模型拟合获得器件的物理参数。
2.根据权利要求1所述的长波碲镉汞光伏器件物理参数的检测方法，其特征在于所说的光伏型碲镉汞探测器件的暗电流模型中主要暗电流包括扩散电流Idiff、产生复合电流Igr、陷阱辅助隧穿电流Itat和带到带直接隧穿电流Ibbt，并与之分别相应的电阻与Rdiff、Rgr、Rtat和Rbbt，以及串联电阻Rs和总动态电阻RfitRfit=(1Rdiff+1Rgr+1Rtat+1Rbbt)-1+Rs]]>然后，以长波碲镉汞二极管的四种暗电流机制在各个偏压段所起的作用各不相同的假设为基础，进而求得拟合初值。
3.根据权利要求2所述的长波碲镉汞光伏器件物理参数的检测方法，其特征在于所述的参数拟合为同时快速拟合模式来获取器件的物理参数。
4.根据权利要求3所述的长波碲镉汞光伏器件物理参数的检测方法，其特征在于根据R-V曲线分别对六个拟合参数Nd、μn/τn、τ0、Et/Eg、Nt和RS求初值。
全文摘要
一种长波碲镉汞光伏器件物理参数的检测方法，包括步骤S
文档编号G01R31/28GK1996033SQ20061014806
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月27日 优先权日2006年12月27日
发明者陆卫, 全知觉, 李志锋, 李宁, 甄红楼, 陈平平, 陈效双, 李天信 申请人:中国科学院上海技术物理研究所