CC BY
3
ИОНЫЧЕВ В. К., ЧЕРАШЕВ Д. М., МУШКЕТОВ Е. В. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ ПО ЗАДЕРЖКЕ ЛАВИННОГО ПРОБОЯ P-N-ПЕРЕХОДА В СЛУЧАЕ СИЛЬНОЙ ПОЛЕВОЙ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЭМИССИИ Аннотация. В статье приводится описание усовершенствованной методики исследования глубоких центров в микроплазменных каналах по статистической задержке лавинного пробоя р-и-перехода. Предлагается изменить форму импульсов напряжения подаваемых на p-n-переход таким образом, чтобы исключить полевую перезарядку глубоких центров в области сильного электрического поля.
Ключевые слова: лавинный пробой, р-и-переход, микроплазма, глубокие центры, коэффициент эмиссии, задержка микроплазменного пробоя.
IONYCHEV V. K., CHERASHEV D. M., MUSHKETOV E. V.
METHODOLOGY FOR THE STUDY OF DEEP CENTERS FOR THE DELAY OF AVALANCHE BREAKDOWN OF P-N-JUNCTION: A STUDY OF STRONG FIELD DEPENDENCE OF EMISSION COEFFICIENTS Abstract. The article describes an improved technique for the study of deep centers in microplasma channels based on the statistical delay of the avalanche breakdown of the р-и-junction. It is proposed to change the shape of the voltage pulses applied to the p-n-junction in such a way as to exclude field recharge of deep centers in the region of a strong electric field.
Keywords: avalanche breakdown, p-n-junction, microplasma, deep centers, emission coefficient, delay of microplasma breakdown.
Лавинный пробой р-и-переходов сильно локализован. Области локального пробоя имеют очень малые геометрические размеры и существенно меньшее напряжение пробоя по сравнению с однородными областями. Эти области сильно локализованного пробоя были названы микроплазмами (МП) [1]. Одним из основных проявлений микроплазменного эффекта в р-и-переходах является импульсный характер лавинного тока. Длительности импульсов и пауз между ними случайны. С ростом приложенного напряжения амплитуда импульсов увеличивается незначительно, но очень сильно возрастает их длительность, и сокращаются паузы между ними. При дальнейшем увеличении напряжения появляются новые микроплазмы. Такой характер протекания тока через микроплазмы приводит к появлению разрывов и изломов на вольт-амперной характеристике р-и-перехода. Наблюдение микроплазменных импульсов может быть затруднено из-за наличия нескольких одновременно работающих микроплазм. При пробое полный ток диода сконцентрирован в
области микроплазмы, не смотря на ее малые размеры. Таким образом, напряжение пробоя реального р-п-перехода представляет собой напряжение включения первой микроплазмы Ум.
Если на р-п-переход подать прямоугольный импульс напряжения, то будет наблюдаться статистическая задержка пробоя микроплазмы, обусловленная отсутствием в течение некоторого времени в канале микроплазмы носителя, способного дать начало лавине. Кроме того, не каждый носитель, попавший в микроплазменный канал, запустит лавину. Процесс запуска лавины носит случайный характер и определяется вероятностью запуска носителем лавины. При этом считается, что электрическое поле в р-п-переходе мгновенно следует за изменением напряжения. Запускающие носители заряда могут попадать в канал МП, в основном, вследствие четырех механизмов: диффузии из базовых областей, термогенерации носителей в области пространственного заряда (ОПЗ), туннельного эффекта, реэмиссии с глубоких центров (ГЦ). Кроме этих четырех механизмов возможно попадание носителей в канал микроплазмы под действием внешних источников (облучение светом, у-квантами). Возможно также взаимодействие микроплазм, если они находятся на небольших расстояниях друг от друга. При определенных обстоятельствах, например, слабый фоновой генерации (первые три механизма), четвертый фактор может вносить основной вклад в запуск лавины. Когда концентрация глубоких центров мала, то эмиссия носителей заряда с ГЦ будет влиять лишь на частоту микроплазменных импульсов и статистическую задержку пробоя микроплазмы.
Целью данной работы является усовершенствование разработанной ранее [2, 3] методики исследования глубоких центров в микроплазменных каналах по статистической задержке лавинного пробоя р-п-перехода.
При исследовании вероятности включения микроплазмы при заполнении глубоких центров в микроплазменном канале необходимо точно знать местоположение области эмиссии носителей, участвующих в запуске лавины, так как коэффициент ударной ионизации зависит от электрического поля. На рисунке 1 представлено распределение электрического поля в р-п-переходе при двух напряжениях Ум и Ут.
Рассмотрим р-п-переход, в котором имеются равномерно распределенные глубокие центры с энергетическим уровнем в верхней половине запрещенной зоны и коэффициент эмиссии электронов с глубоких центров намного больше коэффициента эмиссии дырок вп>>вр. Пусть р-п-переход находится при такой температуре, при которой уровень Ферми в п-базе выше глубокого уровня. Подадим на р-п-переход напряжение Ум, равное напряжению включения самой низковольтной микроплазмы. То есть, при самом незначительном увеличении напряжение смещения, через р-п-переход потечет лавинный ток.
Ц> Ц>т 0 ¡-т ¡-п X
Рис. 1. Распределение электрического поля в р-п-переходе.
На рисунке 2 схематически представлена рассматриваемая структура.
Рис. 2. Схематическое изображение р-п-перехода.
Когда на р-п-переход подано напряжение Ут < Ум, область пространственного заряда уменьшится до Ьт, глубокие центры в области от Ьт до Ьп заполняются электронами со стороны п-базы. В области от -Ьр до Ьт установившееся при Ут стационарное распределение заряда не изменяется. При приложении напряжения У2 >Ут, ОПЗ увеличится, соответственно увеличится напряженность электрического поля. Со стороны п-базы граница ОПЗ при этом напряжении соответствует Ь2 (рис. 2), со стороны р-области граница ОПЗ при напряжении У2 не показана, т.к. заполнение ГЦ в этой части ОПЗ не изменяется.
Если существует полевая зависимость коэффициентов эмиссии носителей заряда с глубоких центров, то после изменения электрического поля, изменится распределение зарядов на глубоких уровнях в области от -Ьр до Ьт, что может внести значительный вклад в вероятность включения микроплазмы. Поэтому при исследовании глубоких центров в области от Ьт до Ьп (рис. 2) необходимо исключить влияние запуска лавины носителями, эмитированными с ГЦ в области от -Ьр до Ьт. В связи с этим предлагается проводить
измерения статистической задержки микроплазменного пробоя на прямоугольных импульсах напряжения следующего вида (рис. 3).
Рис. 3. Форма импульсов напряжения для измерения задержки пробоя: а) напряжение, прикладываемое к диоду; б) ток через диод.
Время 1о выбирают таким образом, чтобы в р-и-переходе успевало устанавливаться стационарное состояние ГЦ. Время и должно быть гораздо меньше времени перераспределения заряда на ГЦ под действием электрического поля в области от -Ьр до Ьш (рис.2), и в тоже время, чтобы ГЦ в области от Ьш до Ь1 заполнились основными носителями заряда (электронами) со стороны и-базы. Это можно сделать, так как время перераспределения носителей заряда на ГЦ под действием электрического поля определяется коэффициентами эмиссии носителей заряда с ГЦ, а заполнение ГЦ электронами в области от Ьш до Ь1 при попадании ее в и-базу при снижении напряжения до Уш определяется коэффициентом захвата основных носителей заряда на ГЦ, который гораздо больше. Таким образом, можно исследовать влияние на вероятность включения микроплазмы только тех носителей, которые эмитированы из области от Ьш до Ь2. Для исключения перераспределения заряда ГЦ в области от -Ьр до Ь1, У2—У1 должно быть много меньше У2. При этом эмиссия носителей с глубоких центров в области заполнения от Ь1 до Ь2 должна влиять на вероятность включения микроплазмы. Однако электрическое поле в этой области настолько слабое, что эмитируемые с ГЦ носители не будут оказывать влияние на запуск лавины.
Поэтому предыдущая методика [2], в случае сильной полевой зависимости коэффициентов эмиссии носителей заряда с ГЦ, не позволяла корректно исследовать глубокие центры при заполнении их основными носителями незначительным снижением напряжения на р-и-переходе. Изменяя напряжение Уш, можно изменять область заполнения ГЦ основными носителями заряда и исследовать влияние эмиссии носителей с ГЦ на запуск лавины в различных областях р-и-перехода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грехов И. В., Сережкин Ю. Н. Лавинный пробой р-и-перехода в полупроводниках. - Л.: Энергия, 1980. - 152 с.
2. Булярский С. В., Сережкин Ю. Н., Ионычев В. К. Статистическая задержка пробоя микроплазм в фосфидгаллиевых р-и-переходах // ФТП. - 1999. - Т. 3, Вып. 11. -С.1345-1349.
3. Ионычев В. К. Механизмы формирования вольт-амперных характеристик кремниевых лавинных диодов. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2017. - 100 с.
