本發(fā)明涉及一種單pn結(jié)型器件激光損傷效應(yīng)分析方法。

背景技術(shù)：

目前對于單pn結(jié)型器件激光損傷情況進(jìn)行分析評價的方法主要有兩種：

第一種：利用i-v特性計算得到開路電壓、短路電流、最大輸出功率以及填充因子，對器件性能損傷情況進(jìn)行分析評價；

第二種：利用二次粒子質(zhì)譜(sims)、深能級瞬態(tài)譜(dlts)、少子壽命測試等技術(shù)對半導(dǎo)體材料內(nèi)部進(jìn)行微觀檢測分析，這些技術(shù)能夠更為直觀的獲取器件內(nèi)部參數(shù)變化，從而進(jìn)行有效的激光輻照損傷分析。

以上方法均存在一定的不足：第一種方法無法獲取單pn結(jié)型器件內(nèi)部的參數(shù)變化情況；第二種方法雖然能夠獲取單pn結(jié)型器件內(nèi)部的參數(shù)變化，但測試成本過高，且可能對器件造成永久性破壞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種基于等效電路參數(shù)提取的單pn結(jié)型器件激光損傷效應(yīng)分析方法，可用于對激光輻照前后器件內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行分析，以解決現(xiàn)有分析方法測試成本過高及可能會對器件造成永久性破壞的問題。

本發(fā)明的基本構(gòu)思是：首先建立待研究單pn結(jié)型器件的等效電路模型，然后通過粒子群算法準(zhǔn)確獲取該等效電路模型中的模型參數(shù)(isd、rs和rsh)，分析激光損傷前后相應(yīng)模型參數(shù)的變化，通過這些模型參數(shù)與單pn結(jié)型器件材料內(nèi)部物理量的聯(lián)系，對單pn結(jié)型器件內(nèi)部損傷進(jìn)行分析。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

單pn結(jié)型器件激光損傷效應(yīng)分析方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

1)在保持從外部不引入光信號至單pn結(jié)型器件且測試條件相同的情況下，分別對激光輻照前后的單pn結(jié)型器件進(jìn)行測試，獲取相應(yīng)的i-v特性曲線，分別記作i1-v1和i2-v2；

2)建立所述單pn結(jié)型器件的等效電路模型；

3)根據(jù)所述等效電路模型中存在的電壓電流關(guān)系建立粒子群算法適應(yīng)度參數(shù)方程；

所述電壓電流關(guān)系為：

式中，

iph為光生電流；

id1為pn結(jié)二極管的電流；

ish為并聯(lián)電流；

isd為pn結(jié)二極管的反向飽和電流；

q為電子電荷常數(shù)；

v為終端電壓；

i為終端電流；

rs為pn結(jié)二極管的等效串聯(lián)電阻；

n為pn結(jié)二極管的品質(zhì)因數(shù)；

k為玻爾茲曼常數(shù)；

t為環(huán)境溫度；

rsh為pn結(jié)二極管的等效并聯(lián)電阻；

所建立的粒子群算法適應(yīng)度參數(shù)方程為：

其中，

f為適應(yīng)度函數(shù)；

n為實際數(shù)據(jù)采樣數(shù)；

ik為第k次采樣的單pn結(jié)型器件的電流值；

vk為第k次采樣的單pn結(jié)型器件的電壓值；

為解向量；

4)利用步驟1)中獲取的i1-v1和i2-v2，分別求解激光輻照前后單pn結(jié)型器件的粒子群算法適應(yīng)度參數(shù)方程，得到解向量φ1和φ2：

φ1＝[isd1,rs1,n1,rsh1]，

φ2＝[isd2,rs2,n2,rsh2]；

5)將步驟4)得到的解向量φ1和φ2中的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行比較，得到激光輻照前后單pn結(jié)型器件內(nèi)部摻雜濃度變化情況、內(nèi)部載流子壽命變化情況以及缺陷變化情況：

若isd2大于isd1，則激光輻照后單pn結(jié)型器件內(nèi)部摻雜濃度變小；

若rs2大于rs1，則激光輻照后單pn結(jié)型器件內(nèi)部載流子壽命和內(nèi)部摻雜濃度均變?。?/p>

若rsh2小于rsh1，則激光輻照后單pn結(jié)型器件缺陷增多；

若isd2等于isd1、rs2等于rs1、rsh2等于rsh1，則激光輻照后單pn結(jié)型器件沒有損傷。

進(jìn)一步地，上述步驟4)中求解解向量φ1和φ2的過程中，粒子群算法適應(yīng)度參數(shù)方程中的控制參量保持不變。

進(jìn)一步地，上述控制參量包括權(quán)重因子和學(xué)習(xí)因子。

進(jìn)一步地，上述步驟5)中缺陷變化情況包括缺陷濃度和表面缺陷變化情況。

進(jìn)一步地，上述單pn結(jié)型器件包括pn結(jié)二極管、單結(jié)太陽能電池、紅外單元器件、氮化鎵型單元器件、雪崩二極管和發(fā)光二極管。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明方法簡單、原理可靠，測試成本低，且能夠在不破壞單pn結(jié)型器件的前提下準(zhǔn)確獲取單pn結(jié)型器件激光輻照前后的等效電路模型中的模型參數(shù)，通過對相應(yīng)模型參數(shù)輻照前后的數(shù)值進(jìn)行比較，就能得到單pn結(jié)型器件損傷前后的內(nèi)部摻雜濃度、載流子壽命以及缺陷變化情況。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為單pn結(jié)型器件的等效電路示意圖；

圖3為激光輻照前后pn結(jié)二極管的i-v特性曲線；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

參見圖1，本發(fā)明所提供的基于等效電路參數(shù)提取的單pn結(jié)型器件激光損傷效應(yīng)分析方法具體包括以下步驟：

步驟1：在保持從外部不引入光信號至單pn結(jié)型器件(即無光照條件)且測試條件相同的情況下，利用半導(dǎo)體測試分析儀分別對激光輻照前后的單pn結(jié)型器件進(jìn)行測試，獲取相應(yīng)的i-v特性曲線，分別記作i1-v1和i2-v2；

步驟2：建立所述單pn結(jié)型器件的等效電路模型，如圖2所示，該等效電路模型由pn結(jié)二極管、光生電流iph以及所述pn結(jié)二極管的等效串聯(lián)電阻rs和等效并聯(lián)電阻rsh構(gòu)成；

步驟3：根據(jù)步驟2建立的等效電路模型中存在的電壓電流關(guān)系建立粒子群算法適應(yīng)度參數(shù)方程；

所述電壓電流關(guān)系為：

式中，iph為光生電流；id1為pn結(jié)二極管的電流；ish為并聯(lián)電流；isd為pn結(jié)二極管d的反向飽和電流；q為電子電荷常數(shù)；v為終端電壓；i為終端電流；rs為pn結(jié)二極管的等效串聯(lián)電阻；n為pn結(jié)二極管的品質(zhì)因數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；t為環(huán)境溫度；rsh為pn結(jié)二極管的等效并聯(lián)電阻；

所建立的粒子群算法適應(yīng)度參數(shù)方程為：

其中，

f為適應(yīng)度函數(shù)；n為實際數(shù)據(jù)采樣數(shù)；ik為第k次采樣的電流值；vk為第k次采樣的電壓值；為解向量；

粒子群算法(particleswarmoptimization，pso)是一種優(yōu)化算法，通過適應(yīng)度函數(shù)評價解因子而獲取最優(yōu)解，利用該算法，能夠準(zhǔn)確得到器件內(nèi)部串并聯(lián)電阻等參量。

步驟4：利用步驟1中獲取的i1-v1和i2-v2，分別求解激光輻照前后單pn結(jié)型器件的粒子群算法適應(yīng)度參數(shù)方程，得到無光照條件下的解向量φ1和φ2：φ1＝[isd1,rs1,n1,rsh1]，φ2＝[isd2,rs2,n2,rsh2]；

步驟5：將步驟4得到的解向量φ1和φ2中的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行比較，獲取單pn結(jié)型器件輻照前后等效電路模型中的模型參數(shù)變化，得到激光輻照前后單pn結(jié)型器件內(nèi)部摻雜濃度變化情況、內(nèi)部載流子壽命變化情況以及缺陷變化情況：

若isd2大于isd1，則激光輻照后單pn結(jié)型器件內(nèi)部摻雜濃度變?。?/p>

若rs2大于rs1，則激光輻照后單pn結(jié)型器件內(nèi)部載流子壽命和內(nèi)部摻雜濃度均變??；

若rsh2小于rsh1，則激光輻照后單pn結(jié)型器件缺陷增多；

若isd2等于isd1、rs2等于rs1、rsh2等于rsh1，則激光輻照后單pn結(jié)型器件沒有損傷。

本實施例中，采用本發(fā)明的方法對單pn結(jié)型器件樣品s1-s3進(jìn)行了激光損傷效應(yīng)分析，分析結(jié)果參見表1。

表1

本發(fā)明的理論依據(jù)：

1、理想的pn結(jié)二極管反向飽和電流isd電流密度公式為：

isd＝j(luò)s*a,

式中，a為面積，ln與lp分別為pn結(jié)二極管的電子擴散長度和空穴擴散長度，dn與dp分別為電子擴散系數(shù)和空穴擴散系數(shù)，np0為p型材料中的電子濃度，pn0為n型材料中的空穴濃度，和分別為pn結(jié)二極管電子有效質(zhì)量和空穴有效質(zhì)量；k玻爾茲曼常數(shù)；

半導(dǎo)體中摻雜濃度與本征載流子濃度關(guān)系：

np0×na＝ni²

pn0×nd＝ni²

式中，na與nd分別為受主和施主濃度；ni為硅材料中的本征載流子濃度；上式表明，pn0以及np0分別與半導(dǎo)體器件的摻雜濃度的變化成反比。

由上述幾個公式可知，通過對pn結(jié)二極管的反向飽和電流isd的分析，能夠?qū)蝡n結(jié)型器件內(nèi)部摻雜濃度變化情況進(jìn)行判斷。

2、結(jié)合半導(dǎo)體理論，等效電路模型中pn結(jié)二極管的等效串聯(lián)電阻rs可以近似表示為：

式中，μn和μp分別為pn結(jié)二極管的電子遷移率和空穴遷移率，而n和p分別為pn結(jié)二極管的電子濃度和空穴濃度；ln和lp分別為pn結(jié)二極管中n型和p型區(qū)等效電阻長度，分別正比于n型層厚度和p型層厚度；s為pn結(jié)二極管橫截面積；上式表明，等效串聯(lián)電阻rs的變化，反映出單pn結(jié)型器件內(nèi)部摻雜濃度以及平衡載流子壽命的變化。因此，通過對等效串聯(lián)電阻rs的分析，就能得到單pn結(jié)型器件摻雜濃度和內(nèi)部載流子壽命變化情況。

3、等效電路模型中pn結(jié)二極管的等效并聯(lián)電阻rsh是為了解釋pn結(jié)二極管漏電流引入的參量，其大小反映出器件漏電流的大小，而漏電流主要與pn結(jié)二極管缺陷相關(guān)；漏電流分為表面漏電流和體內(nèi)漏電流：

表面漏電流主要包括表面產(chǎn)生-復(fù)合電流、表面隧道電流和表面溝道電流；在一般的分析當(dāng)中，主要考慮器件的表面產(chǎn)生-復(fù)合電流，它主要產(chǎn)生于表面態(tài)和表面空間電荷區(qū)，與表面復(fù)合速率s、表面態(tài)nt密度正相關(guān)；

體內(nèi)漏電流主要與pn結(jié)二極管內(nèi)部晶體缺陷相關(guān)；

以上分析表明，等效并聯(lián)電阻rsh的變化，反映出pn結(jié)二極管缺陷濃度的變化以及表面缺陷的變化，通過對等效并聯(lián)電阻rsh的分析，就能夠得到單pn結(jié)型器件缺陷變化情況(包括缺陷濃度和表面缺陷變化情況)。