表面光电压（surface photovoltage，SPV）测量是测定半导体少数载流子扩散长度的常用方法。由于少数载流子的输运机制决定了半导体器件中pn结的行为（此类结构在半导体中无处不在），因此表面光电压数据对于分析器件性能极具价值。SPV作为一种非接触式测量技术，无需制备复杂的歐姆接觸或特殊器件结构，故常用于表征机制尚不明确的化合物半导体。
理论
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顾名思义，SPV测量的原理是利用光源产生电子-空穴对，并同步监测半导体表面的电势。半导体表面通常会形成耗尽层（或区），晶体缺陷诱导的内建電場会驱散该区域内的移动载流子。载流子浓度降低会导致多数载流子的电子能带偏离費米能階。这种能带弯曲现象即为表面电势的来源。当光源在半导体深层激发出电子-空穴对时，它们必须穿透体区方可抵达表面耗尽区。光生少数载流子的扩散长度远短于数量庞大的多数载流子，且极易与后者发生辐射復合。故光照引起的表面电势变化，实质上反映了少数载流子抵达表面的能力，即少数载流子扩散长度。正如所有扩散过程一样，扩散长度L与寿命\tau_\mathrm{bulk}通过表达式 L = \sqrt{D \tau_\mathrm{bulk}}近似相关，其中D为扩散系数。与载流子的漂移行为截然不同，扩散长度独立于任何内建电场。
需要注意的是，光生多数载流子同样会向表面扩散，但对于中等掺杂的半导体而言，其在热激发多数载流子总量中所占比例微乎其微，不足以产生可观测的光电压。当扩散长度超过薄膜厚度时，两类载流子均会向背面接触层扩散，它们在此处的聚集现象会干扰数据分析。在实际半导体中，测得的扩散长度L_\mathrm{meas} = \sqrt{D \tau_\mathrm{eff}}必然包含表面复合效应，这一点通过表面复合对的作用机制可以得到最清晰的解释：
: \frac{1}{\tau_\mathrm{eff}} = \frac{1}{\tau_\mathrm{bulk}} + \frac{2s}{d}
此处\tau_\mathrm{eff}为有效载流子寿命，\tau_\mathrm{bulk}体载流子寿命，s是为表面复合速率，d为薄膜或晶圆厚度。即使针对物理特性明确的材料，表面复合速率取值的不确定性依然会削弱薄膜扩散长度测量结果的精确度。
实验方法
进行表面光电压测量时，需将半导体材料的晶圓或薄膜置于接地电极上，并在样品上方微小距离处悬浮放置开尔文探针。在工业应用中，通常使用固定波长的光照射样品表面；或者利用单色仪扫描入射光波长，以调节光子的穿透深度。半导体内部发生载流子产生的位置越深，能够抵达表面的少数载流子就越少，激发的光电压也随之减弱。若已知半导体的光谱吸收系数，理论上便可通过光电压与波长的关系曲线推导出少数载流子扩散长度。由于新型半导体的光学性质可能尚无定论，或其在样品分布上存在不均匀性，因此在SPV测量期间必须严格控制半导体温度，以免热漂移干扰不同样品间的对比分析。通常而言，SPV测量会采用断续光源配合交流耦合模式进行，而非依赖振动开尔文探针。
意义
少数载流子扩散长度直接决定了光电导传感器和双极性晶体管等器件的性能表现。在上述两类器件中，扩散长度与器件尺寸的比值决定了最终的增益。在光伏器件、光电二极管与场效应晶体管的常规工况下，由内建电场驱动的漂移行为相较于扩散行为占据主导地位。即便如此，SPV依然是测定杂质复合中心密度（该指标严重限制器件性能）的便捷手段。在工业生产环境中，SPV常被部署为全自动的常规材料质量检测标准；在科研领域，它则是探索前沿半导体材料特性的核心实验工具。时间分辨光致发光技术则是另一种测定少数载流子输运特性的非接触式替代方案。
参见
- 开尔文探针力显微鏡
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参考
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