Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

Ток рекомбинации – генерации на поверхности ОПЗ

 

Как известно, на поверхности полупроводника существуют дополнительные поверхностные рекомбинационные уровни: уровни Тамма, Шокли и уровни, индуцированные адсорбированными атомами и молекулами. Поэтому темп рекомбинации – генерации на поверхности ОПЗ выше, чем в объеме.

В первом приближении ток, обусловленный рекомбинацией – генерацией на поверхности ОПЗ, может быть представлен в виде:

, (5.43)

где ;

P – периметр p-n перехода; sn0, sp0 – скорость поверхностной рекомбинации-генерации в p- и n- областях соответственно; 1< m £ 2, как и в случае объемной рекомбинации.

В обратном смещении компонента обратного тока

C ~ d(U) ~ ; C(T) ~ ni(T) ~ ,

возрастает с ростом обратного напряжения и температурой аналогично объемному току ОПЗ.

Ток рекомбинации – генерации на квазинейтральной поверхности

 

В связи с повышенным темпом рекомбинации на поверхности при прямом смещении p-n перехода существует градиент концентрации неравновесных носителей заряда, обеспечивающий поток носителей к поверхности, где они, рекомбинируя, создают дополнительный ток. Эффективная площадь, которая создает дополнительный ток, определяется эффективной диффузионной длиной Lef (рисунок 5.24).

Инжектированные боковой поверхностью носители не могут долететь дальше Lef (они рекомбинируют в объеме), при обратном смещении генерация носителей за пределами Lef также не дает дополнительного тока (носители не достигают боковой поверхности p-n перехода).

Эффективная диффузионная длина:

.

Если полагать, что процессы рекомбинации в объеме и на поверхности независимы, то

,

где ; s – скорость поверхностной рекомбинации; Xj – глубина залегания p-n перехода.

 

Рисунок 5.24 - К пояснению тока рекомбинации- генерации на квазинейтральной поверхности

 

Поверхностный ток из модели ШХР:

.

По аналогии с объемным рекомбинационным током можно получить для p+-n перехода:

, (5.44)

где P – периметр p-n перехода.

При tS << tp поверхностный ток IdS растет с увеличением скорости рекомбинации (IdS ~ ).

Этот компонент тока создает дополнительные потери инжекционного тока эмиттера в биполярном транзисторе при пролете базы, что уменьшает его коэффициент усиления. Для уменьшения этого тока технология изготовления приборов должна обеспечить малую скорость поверхностной рекомбинации.

В частности, планарный процесс для кремниевых приборов и ИС обеспечивает малую скорость поверхностной рекомбинации – генерации (s < 5 см/с), благодаря свойствам границы раздела Si – SiO2 . Термический окисел SiO2 обеспечивает также долговременную стабильность защищенной поверхности кремния.

В германиевых переходах при обратном смещении доля тока поверхностной генерации в обратном токе может быть доминирующей из-за большой скорости поверхностной генерации, s ³ 103 см/с.

 

Ток поверхностных каналов

Каналом называют приповерхностную область, контактирующую с периферией p-n перехода, в которой существует встроенное электрическое поле, перпендикулярное поверхности, индуцированное поверхностным зарядом (рисунок 5.25).В результате действия этого поля происходит обеднение и инверсия типа проводимости той области p-n перехода, знак заряда основных носителей которой совпадает со знаком поверхностного заряда. На поверхности p-n перехода (в базе) образуется область, где электроны и дырки проходят из данной области через плоскость металлургического перехода на поверхности в другую без преодоления потенциального барьера (канал). Площадь канальной области определяется площадью «пятна» поверхностного заряда. Канальная область отделена от объема областью пространственного заряда – неподвижными ионами подложки (акцепторами для рисунка 5.25, а).

Толщина dS (рисунок 5.25) порядка величины d для ОПЗ в объеме. Толщина инверсионного канала hk » 10–6 см, определяется объемной концентрацией на поверхности nS

.

 

 

А) б)

       
 
   
 

 

 


в)

 

Рисунок 5.25 - Образование канала на поверхности (а), энергетическая диаграмма y = 0 (б),

энергетические диаграммы для p- и n- областей при x > Xj (в)

 

 

Канальная область – это полевая область (поле поверхностных зарядов и внешнее поле), поэтому механизмы генерации – рекомбинации аналогичны процессам на поверхности ОПЗ. Канальная область расширяет эффективную площадь p-n перехода (рисунок 5.25, а), а, следовательно, и величину обратного тока. Канальные токи являются причиной параметрических отказов диодов, транзисторов и других полупроводниковых приборов. Временная нестабильность плотности поверхностного заряда QS приводит к нестабильности во времени обратного тока p-n перехода.

Качественный анализ токов поверхностных каналов был проведен Сaа (Sah). Результаты этого анализа приводят к выражению канального тока в следующем виде:

, (5.45)

 

где , WK , LK – ширина и длина канала.

 

В прямом смещении канальный ток возрастает с ростом потенциала по более слабому закону, чем ток рекомбинации на поверхности ОПЗ. В обратном смещении ток канала описывается более сильной зависимостью от обратного напряжения, чем генерация на поверхности ОПЗ (рисунок 5.26).

 

~ ,

где 0,5 < k £ 1 .

 

В случае «закороченного» канала (рисунок 5.26), когда длина канала закорачивает всю поверхность р-области на омический контакт, p-n переход шунтируется по поверхности квазилинейным сопротивлением (k = 1).

 

       
   
 
 

 


Рисунок 5.27 - Температурная зависимость обратного тока p-n перехода с поверхностным каналом

 

 

Температурная зависимость канального тока определяется генерацией носителей заряда на мелких поверхностных состояниях. При больших изгибах зон (поверхностном поле) эффективными становятся мелкие уровни, плотность которых доходит до 1013 см–2. Поэтому энергия активации обратного тока может варьироваться от до нуля для «закороченного» канала (рисунок 5.27).

~ ~ .

 

Канальные токи вредны для инжекционных приборов: диодов, биполярных транзисторов, тиристоров и т. д. Для борьбы с ними были разработаны сверхчистые технологии обработки и пассивации поверхности полупроводника. Например, геттерирование инородных атомов, хлорное окисление с подавлением дефектов упаковки и т. д. Результатами этой «борьбы» явились стабильные и воспроизводимые методы встраивания поверхностного заряда, на основе которых были разработаны перепрограммируемые постоянные энергонезависимые запоминающие устройства с объемом памяти до 128 мегабайт на кристалле.

 

5.8. P-n переход с ограниченной базой

Реальные приборы: диоды, транзисторы и другие содержат p-n переходы с ограниченной по длине базой. Это необходимо для уменьшения омического сопротивления, повышения быстродействия (пролета) и уменьшения мощности рассеяния (температуры).

В p-n переходах с ограниченной базой (WB < Lp) значительное влияние на ВАХ оказывают процессы рекомбинации – генерации на контакте. При этом омический контакт со скоростью рекомбинации, близкой к бесконечности, обеспечивает увеличение тока в прямом и обратном смещениях; неомический (выпрямляющий, с тормозящим полем), имеющий малую скорость рекомбинации – генерации уменьшает ток по сравнению с p-n переходом, имеющим полубесконечную базу.

Рассмотрим p-n переход с ограниченной базой (рисунок 5.28). Принимаем допущения, аналогичные разделу 5.5.

 

Рисунок 5.28 - P-n переход с ограниченной базой

 

 

Уравнение непрерывности для стационарного случая:

 

.

Первое граничное условие соответствует условию Шокли

. (5.46)

Второе граничное условие следует из непрерывности плотности тока

;

; , (5.47)

где s – скорость генерации - рекомбинации на контакте.

 

Решение уравнения непрерывности:

.

При x = 0,

. (5.48)

При x = W ,

 

. (5.49)

Из (5.48) следует: .

Подставив это значение в (5.49), получим:

.

 

; .

 

Подставив А и В в уравнение , получим:

. (5.50)

При выводе (5.50) использовалась формула Эйлера:

; .

Рассмотрим влияние типа контакта на распределение концентрации.

  1. Омический контакт, .

В этом случае можно пренебречь первыми членами в числителе и знаменателе (5.50).

.

При :

. (5.51)

Распределение концентрации в базе линейно (рисунок 5.29).

  1. Неомический контакт, . Для этого случая из (5.50).

.

При малом аргументе

Тогда ;

. (5.52)

Концентрация практически постоянна по всей длине базы .

  1. p-n переход с полубесконечной базой, . Контакт не оказывает влияния на инжекцию и распределение носителей.

Пусть .

;

. (5.52 а)

Аналогичное решение получается и для неомического контакта .

Выражение (5.52а) совпадает с (5.30) для p-n перехода с полубесконечной базой. Следовательно, выражение (5.50) является общим случаем распределения концентрации носителей заряда на малых уровнях инжекции.

 

Рисунок 5.29 - Распределение неравновесной концентрации носителей заряда в p-n переходе с ограниченной базой: 1) омический контакт ( ); 2) неомический контакт ;

3) - полубесконечная база

 

В связи с непрерывностью тока для несимметричного p-n перехода:

 

.

Для квазинейтральной базы

,

где ;

 

. (5.53)

 

Тогда

, (5.54)

 

где ,

или .

Проанализируем (5.54) В случае омического контакта .

.

В случае неомического контакта

.

Для p-n перехода с полубесконечной базой

.

Влияние контакта на величину тока насыщения отражено на рисунке 5.30.

σ
σ

а) б)

Рисунок 5.30 - Влияние контакта и толщины базы на ток насыщения (а) и ВАХ p-n перехода (б)

 

В прямом смещении рекомбинация на омическом контакте обеспечивает максимальный градиент концентрации (рисунок 5.29, кривая 1) и значительно больший ток по сравнению с p-n переходом, имеющим неомический контакт, при одинаковой величине потенциала. В обратном смещении генерация на омическом контакте увеличивает величину обратного тока. Для неомического контакта обратный ток ограничен генерацией носителей в объеме базы.






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2017 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.