2 Изменение электрофизических параметров биполярных приборных структур вследствие введения структурных дефектов при радиационном облучении

2.1 Диодные структуры

Во многих работах, посвященных исследованию радиационной стойкости ПП и ИС и поиску технических путей ее повышения, было показано, что независимо от вида проникающего излучения в диодных структурах наблюдаются качественно одинаковые эффекты при облучении: в кремниевых диодах основные изменения происходят в прямой ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ), а в германиевых — в обратной ветви ВАХ. Изменения в прямой ветви ВАХ обычно проявляются в виде роста прямого падения напряжения U_пр при фиксированном прямом токе I_пр. Изменения в обратной ветви ВАХ обычно проявляются в виде возрастания обратного тока I_обр при фиксированном напряжении U_обр. Подобные изменения параметров диодов являются нежелательными эффектами, приводящими к параметрическим отказам ПП и ИС.

Для кремниевой p-n-структуры полное падение напряжения при постоянной плотности прямого тока j_пр = const равно [3]

U_пр = U_p-n + U_б + U_к, (2.1)

где U_p-n — падение напряжения на p-n-переходе; U_б — падение напряжения на базе диода; U_к — падение напряжения на приконтактных областях.

Выражение для U_p-n имеет вид [3]

, (2.2)

где 1  m  2; j_пр = const; П = const; 0  М  1;  — время жизни неосновных носителей либо в области пространственного заряда p-n-перехода при очень малых уровнях инжекции ( ), либо в базовой области диода при малом (_р) и большом (_р = _р0 + _n0) уровнях инжекции.

Так как время жизни при облучении монотонно падает, напряжение U_p-n согласно (2.2) должно уменьшаться. С учетом (1.24) скорость уменьшения этой составляющей прямого падения напряжения равна [3]

, (2.3)

где K_ — коэффициент радиационного снижения .

Минимальное уменьшение U_p-n при облучении наблюдается у диодов с малой толщиной базы W_б (W_б / L_б  1) при средних и высоких уровнях инжекции, когда полный ток через p-n-переход определяется диффузионной, а не дрейфовой компонентой.

Выражение для U_б в широком диапазоне уровней инжекции для p⁺-n-диода может быть записано в виде [3]

, (2.4)

где b = _n/_p; L — биполярная диффузионная длина; W_б — толщина базы; ; — уровень инжекции.

Первое слагаемое в правой части выражения (2.4) представляет собой падение напряжения на сопротивлении толщи базы с учетом модуляции проводимости базы инжектированными в нее неосновными носителями в случае высоких уровней инжекции (В << 1), а второе слагаемое — э.д.с. Дембера, обусловленную градиентом концентрации носителей в базе и различием подвижности электронов и дырок. При небольших уровнях инжекции (B >> 1) второе слагаемое стремится к нулю, а первое упрощается, и выражение (2.4) можно переписать в виде

, (2.5)

где  = 1/ — проводимость материала базы.

Анализ выражения (2.4) путем дифференцирования по Ф показывает, что во всех случаях U_б при облучении возрастает, что физически объясняется снижением времени жизни неосновных носителей заряда и уменьшением концентрации основных носителей заряда в базе диода при введении радиационных центров (см. п. 1.3.6). Скорость роста U_б зависит от ₀, K_, ₀, K_, W_б, уровня инжекции и может быть рассчитана достаточно точно [3]. При этом в диодах с малой толщиной базы (W_б/L  1) при небольших уровнях инжекции (В >> 1) рост U_б при облучении определяется изменением  и не зависит от изменения .

Третье слагаемое (U_к) в выражении (2.1) в подавляющем большинстве случаев (для ₀  20 Омсм) при не слишком больших Ф можно считать постоянным [3].

На прямой ветви ВАХ можно найти точку, где . Это означает, что в этой точке , т.е. прямое падение напряжение на диоде при облучении не меняется. Положение этой точки можно найти из выражения [3]

. (2.6)

При j_пр < j_пр0 напряжение U_пр при облучении уменьшается, а при j_пр > j_пр0 растет, причем j_пр0 будет тем ниже, чем больше _б0 и W_б.

В связи с тем, что скорость роста U_б при облучении всегда выше скорости снижения U_p-n, при определенных Ф должен наблюдаться рост U_пр с облучением, что подтверждается экспериментально [3]. Эффект роста U_пр при облучении в конечном счете приводит к росту прямого дифференциального сопротивления диодов.

На обратной верви ВАХ диода основным параметром на участке до наступления пробоя является обратный ток I_обр при некотором фиксированном напряжении U_обр. Обратный ток состоит из трех компонент [3]: диффузионной I_д, генерационной I_г и поверхностной I_п:

I_обр = I_д + I_г + I_п. (2.7)

Каждая из этих компонент может меняться при облучении. Если учесть в известных выражениях для I_д и I_г зависимости от интегрального потока времени жизни и удельного сопротивления, то можно получить следующее выражение для I_обр(Ф) (для диода с базой n-типа при достаточно больших Ф) [3]:

, (2.8)

где _р0, n_n0 — время жизни неосновных и концентрация основных носителей в базе до облучения; n_i, E_i — концентрация носителей и положение уровня Ферми в собственном материале; S — площадь p-n-перехода;  — диэлектрическая проницаемость материала; С_бФ — барьерная емкость облученного перехода.

Первое слагаемое в (2.8) определяет диффузионную компоненту обратного тока, которая преобладает в германиевых диодах, а второе — генерационную компоненту в области p-n-перехода, преобладающую в кремниевых диодах. Генерационная природа обратного тока в кремниевых диодах в сочетании с пассивированной поверхностью является основной причиной весьма малых начальных значений I_обр и их изменений при облучении современных кремниевых диодов [3].

Обратный ток в германиевых диодах при малых Ф должен расти линейно за счет снижения времени жизни неосновных носителей в объеме базы диода, а при достаточно больших Ф должен расти экспоненциально за счет вклада в рост I_обр снижения концентрации основных носителей [3]. Однако точное прогнозирование зависимости I_обр(Ф) для германиевых диодов весьма затруднительно в связи со значительным вкладом изменения поверхностной составляющей при облучении (изменение поверхностного времени жизни, рост токов утечки и др.), который аналитически трудно учесть.

Напряжение пробоя диодных структур U_проб при облучении возрастает вследствие увеличения удельного сопротивления полупроводникового материала и уменьшения градиента концентрации носителей заряда в переходе. В частности, для резких несимметричных p-n-переходов на базе n-Si зависимость пробивного напряжения от Ф имеет вид [3]

. (2.9)

Возрастание пробивного напряжения диодных структур при облучении подтверждается экспериментально.

Радиационное облучение приводит к улучшению основного импульсного параметра диодов — времени восстановления обратного сопротивления _восст, причем снижение _восст начинается при потоках, не приводящих к существенному изменению параметров U_пр и I_обр.

Для широкого класса диодов имеется корреляция между _восст и временем жизни неосновных носителей заряда в базе  [3]:

_восст  (0,5–2), (2.10)

причем для диффузионных диодов множитель равен 0,5.

Следовательно, на скорость нестационарных процессов переключения в диоде практически влияет одна электрофизическая характеристика — время жизни неосновных носителей заряда. Поскольку время жизни при облучении снижается за счет введения радиационных центров, являющихся центрами рекомбинации, время восстановления обратного сопротивления будет также снижаться, что подтверждается экспериментально.