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; s_n0, s_p0 – 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) ~ n_i(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 L_ef (рисунок 5.24).

Инжектированные боковой поверхностью носители не могут долететь дальше L_ef (они рекомбинируют в объеме), при обратном смещении генерация носителей за пределами L_ef 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; X_j – 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 t_S << t_p поверхностный ток I_dS растет с увеличением скорости рекомбинации (I_dS ~ ).

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 d_S (рисунок 5.25) порядка величины d для ОПЗ в объеме. Толщина инверсионного канала h_k » 10^–6 см, определяется объемной концентрацией на поверхности n_S

.

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 > X_j (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 Q_S 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 , W_K , L_K – 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 (W_B < L_p) 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.

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.