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

Full Text

Лавинный пробой p–n-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 p–n-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 p–n-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 p–n-перехода представляет собой напряжение включения первой микроплазмы V_M. Если на p–n-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 p–n-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, -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 p–n-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 p–n-переходе при двух напряжениях V_M и V_m.

Рассмотрим p–n-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 en>>ep. Пусть p–n-переход находится при такой температуре, при которой уровень Ферми в n-базе выше глубокого уровня. Подадим на p–n-переход напряжение V_M, равное напряжению включения самой низковольтной микроплазмы. То есть, при самом незначительном увеличении напряжение смещения, через p–n-переход потечет лавинный ток.

Рис. 1. Распределение электрического поля в p–n-переходе.

На рисунке 2 схематически представлена рассматриваемая структура.

Рис. 2. Схематическое изображение p–n-перехода.

Когда на p–n-переход подано напряжение V_m < V_M, область пространственного заряда уменьшится до L_m, глубокие центры в области от L_m до L_n заполняются электронами со стороны n-базы. В области от –L_p до L_m установившееся при V_m стационарное распределение заряда не изменяется. При приложении напряжения V₂ >V_m, ОПЗ увеличится, соответственно увеличится напряженность электрического поля. Со стороны n-базы граница ОПЗ при этом напряжении соответствует L₂ (рис. 2), со стороны p-области граница ОПЗ при напряжении V₂ 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 –L_p до L_m, что может внести значительный вклад в вероятность включения микроплазмы. Поэтому при исследовании глубоких центров в области от L_m до L_n (рис. 2) необходимо исключить влияние запуска лавины носителями, эмитированными с ГЦ в области от –L_p  до L_m. 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 t_c выбирают таким образом, чтобы в p–n-переходе успевало устанавливаться стационарное состояние ГЦ. Время t_н должно быть гораздо меньше времени перераспределения заряда на ГЦ под действием электрического поля в области от –L_p до L_m (рис.2), и в тоже время, чтобы ГЦ в области от L_m до L₁ заполнились основными носителями заряда (электронами) со стороны n-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 L_m до L₁ при попадании ее в n-базу при снижении напряжения до V_m 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 L_m до L₂. Для исключения перераспределения заряда ГЦ в области от –L_p до L1, V₂–V₁ должно быть много меньше V₂. При этом эмиссия носителей с глубоких центров в области заполнения от L₁ до L₂ 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 p–n- переходе. Изменяя напряжение V_m, можно изменять область заполнения ГЦ основными носителями заряда и исследовать влияние эмиссии носителей с ГЦ на запуск лавины в различных областях p–n-перехода.

About the authors

V. K. Ionychev

Author for correspondence.
Email: ogarevonline@yandex.ru
Russian Federation

D. M. Cherashev

Email: ogarevonline@yandex.ru
Russian Federation

E. V. Mushketov

Email: ogarevonline@yandex.ru
Russian Federation

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Distribution of the electric field in the p–n junction.

Download (15KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Schematic representation of a p–n junction.

Download (11KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. The shape of voltage pulses for measuring the breakdown delay: a) voltage applied to the diode; b) current through the diode.

Download (25KB)

Indexing metadata