§ 10.3. Стабільність характеристик приладів
Стабільність параметрів напівпровідникових приладів й інтегральних мікросхем визначає надійну роботу радіоелектронних пристроїв, у яких вони використовуються.
Стійкість роботи напівпровідникових приладів визначається фізичними процесами, що протікають на поверхні напівпровідника, особливо в області p-n-переходу, Розглянемо ці процеси.
Зміни, що відбуваються на поверхні напівпровідників протягом тривалого часу експлуатації й зберігання приладів, обумовлюють процес старіння - зміна параметрів приладів. Старіння приладу визначається наступними причинами: чутливістю поверхні до сторонніх домішок, що перебувають в приладі й проникають через герметизуючі покриття; механічною нестабільністю; електронними й физико - хімічними процесами, що протікають у зразках.
У готовому приладі на поверхні напівпровідника триває наростання оксидної плівки, її сполука й структура міняються, що приводить до зміни поверхневого заряду, швидкості поверхневої рекомбінації, появі струмів витоку й зміні параметрів приладів. У германієвих транзисторів зростає швидкість поверхневої рекомбінації, що знижує значення коефіцієнта передачі струму.
У процесі експлуатації прилади нагріваються, що викликає зневоднювання оксиду й зрушення потенціалу убік поверхні р-типа. Величина зворотнього струму теж змінюється. На кремнієвих р-п-переходах при малих зворотних напругах із часом зворотній струм зменшується, при більших – зростає (рисунок 10.2).
Для боротьби зі старінням приладів - проводять так називане штучне старіння при підвищених температурах. При нагріванні закінчується формування оксиду, що дозволяє стабілізувати параметри приладів.
У планарних приладів захист поверхні оксидною плівкою істотно змінила характер процесу старіння. Змін параметрів, пов'язаних зі збільшенням товщини оксиду, не спостерігається, але в встовщеному оксиді є значний рухливий позитивний заряд, величина якого залежить від прикладеної напруги й нагрівання.
Найбільшу небезпеку представляють умови, коли при підвищеній температурі електричне: поле в оксиді спрямовано до поверхні напівпровідника й позитивний заряд скаплюється на границі кремній - діоксид кремнію.
Нагромадження позитивного заряду приводить до утворення інверсійних шарів. Для транзисторів типу п-р-п такі шари утворюються в області бази, тому що позитивний заряд накопичується поблизу.колектора. Позитивний заряд істотно змінює коефіцієнт передачі струму, оскільки міняється швидкість поверхневої рекомбінації (рисунок 10.3).
Рисунок 10.2 - Зміна зворотнього струму із часом при різних значеннях зворотної напруги
Рисунок 10.3 - Зміна коефіцієнта передачі струму емітера із часом
Поява «провалу» на залежності β(t) пов'язана з нагромадженням такого позитивного заряду, при якому швидкість поверхневої рекомбінації має максимальне значення. У приладів СВЧ-диапазона через неглибоке залягання емітерного р-п-перехода й малої його ширини в процесі роботи коефіцієнт передачі емітерного струму може сильно змінюватися через наявність вологи в навколишньому середовищі, тому що шар оксиду під емітером тонкий і не має достатніх захисних властивостей.
Зміна зворотнього струму p-n-переходу й інших параметрів приладів приводить до зміни електричних характеристик електронних схем, що містять напівпровідникові прилади. Дрейф зворотнього струму залежить від стану поверхні й навколишнього газового середовища. У вакуумі порядку 10-6–10-7 Па ні на германії, ні на кремнії дрейф не спостерігається незалежно від величини зворотнього струму. При зміні поверхневого заряду прикладеним зовнішнім полем у випадку утворення каналу зворотній струм зростає, але дрейф його не спостерігається. Тільки при дуже більших значеннях напруги й нагріванні напівпровідника спостерігається дрейф струму, причому струм швидко наростає, що закінчується тепловим пробоєм.
Дрейф струму відсутній у сухих середовищах й у середовищах з малим відсотком вологості. Коли вологість навколишнього середовища зростає до десяти й більше відсотків, спостерігається позитивний дрейф струму. При більших парціальних тисках вологи струм досягає максимуму й починає зменшуватися. Напрямок дрейфу струму залежить від величини напруги зсуву на переході.
Позитивний дрейф - зростання зворотнього струму при малих напругах зсуву пов'язаний з ростом довжини каналу. При наявності багатошарової адсорбованої плівки води на поверхні p-n-переходу можлива поява дрейфу зворотнього струму більше складного характеру, оскільки з'являється складова, пов'язана з переміщенням рухливих іонів у плівці, що викликає модуляцію поля в p-n-переході.
Дрейф зворотнього струму супроводжується дрейфом повного опору діода, що пов'язане зі зміною довжини каналу і ємності p-n-переходу. У транзисторах спостерігається дрейф коефіцієнта передачі струму й амплітуди шуму.
Найбільш значний дрейф при наявності каналів і поверхневому пробої переходу.
У планарних приладів дрейф істотно менше. При наявності вологи є можливість переміщення й нагромадження більших зарядів на зовнішній поверхні оксиду, що змінює величину поверхневого заряду й швидкість поверхневої рекомбінації. При зростанні температури дрейф здійснюється за рахунок переміщення й нагромадження позитивного заряду в оксиді під дією прикладеної поля.
Робота МДН-приладів заснована на модуляції поверхневої електропровідності зовнішнім електричним полем, що подається на затвор. У випадку транзистора з індукованим каналом до затвора необхідно прикласти таку напругу, щоб на поверхні напівпровідника між стоком і джерелом утворився інверсійний шар - канал. Цю напругу називають граничною. Бажано, щоб гранична напруга була як можна меншою. Це можливо в тому випадку, якщо мала концентрація поверхневих станів і рухливість заряду в оксиді незначна. Рухливий заряд утвориться позитивними іонами лужних металів і протонами.
Міграція іонів лужних металів приводить до нестабільності вольт-фарадних характеристик МДН-структур в електричних полях. Ця нестабільність особливо помітна при підвищених температурах. Іони лужних металів адсорбируются поверхнею з різних хімічних реактивів. При концентрації домішок у реактивах порядку 10-5–10-10% на поверхні напівпровідника осаджується до 1011–1015 см-2. Зменшення концентрації домішок на поверхні напівпровідника від 1013 см-2 до величини, меншої 1011 см-2, зменшує ефективний заряд на поверхні в 2– 2,5 рази.
Густина рухливого заряду залежить від методу одержання оксидної плівки її властивостей і становить приблизно 10-9 Кл/см2.