книги из ГПНТБ / Челноков В.Е. Физические основы работы силовых полупроводниковых приборов

плазмы, появляется дополнительная компонента обрат­ ного тока в виде коротких импульсов прямоугольной формы величиной 50—100 мка. Длительность импульсов порядка микросекунд, распределение длительности и скважность носят хаотический характер. С увеличением величины обратного тока средняя длительность импуль­ сов возрастает, обратный ток становится стабильным. Каждая серия импульсов (шумов в районе пробоя) соответствует появлению (включению) одной микро­ плазмы. Хаотический характер распределения флуктуа­ ции тока через микроплазму привел к построению мо­ дели микроплазмы, включение и выключение которой связано с флуктуациями ' числа свободных носителей в области их умножения электрическим полем. Было обнаружено, что для неглубоких переходов с шириной слоя объемного заряда 0,3 мкм величина области

при таких ее размерах равно примерно 120. Статисти­ ческие отклонения сравнительно небольшого числа но­ сителей от среднего могут вызывать так называемые за­ жигание или гашение микроплазмы.

Таким образом, нестабильность микроплазмы харак­ теризуют вероятностями ее включения и выключения

вединицу времени, которым соответствуют обратные

венно. Эти величины легко определяются эксперимен­ тально. Вероятность включения микроплазмы резко (экспоненциально) зависит от напряжения. Еще более резко зависит от напряжения вероятность выключения —• при напряжении, меньшем напряжения пробоя, эта ве­ роятность равна практически единице, а при напряже­ нии чуть большем напряжения пробоя — нулю.

Как видно из рис. 3-3, микроплазму помимо напря­ жения включения можно характеризовать ее сопротив­ лением.

Последовательное сопротивление микроплазмы обус­ ловлено тремя компонентами: сопротивлением кремния по обе стороны самой микроплазмы, представляющей цилиндр, расположенный в области объемного заряда,

70

величину примерно 2 мкм.

Экспериментально было установлено, что вероятность выключения от температуры не зависит, в то время как вероятность включения растет с увеличением темпера­ туры.

Причины образования микроплазм связаны с неоднородностями в кремнии, размещенными в области объемного заряда. Однако прямой связи с кристалли­ ческим несовершенством кремния, в частности с дисло­ кациями, обнаружено не было. Вероятнее всего дисло­ кации влияют на процесс образования микроплазм посредством атмосферы вокруг них, состоящей из ме­ таллических осадков быстродиффундирующих металлов, таких как Си, Аи, Fe и др. Одной из причин возникно­ вения микроплазм являются включения в области объемного заряда осадков SiOz.

Можно утверждать, что любая микронеоднородность в области объемного заряда p-n-перехода, которая вы­ зывает резкое локальное увеличение напряженности электрического поля, может привести к образованию микроплазмы.

Пробивные напряжения соседних по вольт-амперной

довательного сопротивления микроплазм, измеренные по наклону вольт-амперной характеристики, лежат в пре­

Эти величины практически не зависят от глубины зале­ гания р-/г-перехода, а зависит только от значения риох- Считая, что последовательное сопротивление микроплаз­ мы определяется только сопротивлением растекания ба­ зовой области структуры для цилиндрической формы микроплазмы с диаметром основания d и высотой / (что справедливо для измерений Ru на наносекундных им­ пульсах и при малых токах), можно определить вели­ чину d из соотношения

/?п = 0 , 4 5 ^ - .

Для значений £/П роб в интервале 500—800 в величина d составляет около 5 мкм. Длину микроплазмы I можно

72.

определить, считая, что в области эффективной иониза­ ции, которая равна длине микроплазмы, напряженность электрического поля постоянна и равна критическому значению. При таком предположении из условия пробоя получим соотношение

Температура микроплазм в глубоких р-я-переходах, из­ меренная с помощью сравнения вольт-амперных харак­ теристик, снятых на постоянном токе при разных тем­

тока, вызвавшего приращение температуры микроплаз­

определенные экспериментально, достаточно хорошо со­ впадают между собой.

3-4. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА р-я-ПЕРЕХОДА

ВОБЛАСТИ ЛАВИННОГО ПРОБОЯ

Вобласти лавинного пробоя вольт-амперная харак­ теристика 11 (/) выпрямительного элемента описывается следующей зависимостью [Л. 3-12—3-14]:

7 3

где £/П роб(-М—напряжение загиба вольт-амперной ха­ рактеристики или, иначе, напряжение, при котором по­

где Ri — сопротивление отдельной микроплазмы; п — число микроплазм. Число микроплазм растет с увели­

рактеристика р-и-перехода в области лавинного пробоя

74

ставлены типичные экспериментальные кривые темпера­ турной зависимости /?д для двух р-я-переходов при раз­

75

Г л а в а ч е т в е р т а я

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СТРУКТУРАХ С р-я-ПЕРЕХОДОМ

4-1. ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ р-я-СТРУКТУРЫ ИЗ ПРОВОДЯЩЕГО

СОСТОЯНИЯ В НЕПРОВОДЯЩЕЕ

До сих пор мы везде рассматривали прохождение носителей тока через р-я- переход при постоянном напря­ жении. При медленном изменении напряжения, когда характерное время изменения напряжения значительно больше времени жизни неосновных носителей т, при каждом значении напряжения успевает установиться со­ ответствующее стационарное распределение носителей и ток через р-п- переход определяется напряжением, при­ ложенным в данный момент соответственно формулам, полученным для постоянного напряжения. Иначе обсто­ ит дело, если напряжение заметно изменяется за время жизни неосновных носителей т.

Рассмотрим, например, что произойдет с р-п- перехо­ дом, смещенным в прямом направлении, если на него подать большое запирающее напряжение. При этом будем рассматривать несимметричную р-я-структуру, у которой удельная электропроводность в р-области (эмиттер) значительно больше, чем в я-области (база). При протекании прямого тока процесс инжекции приво­ дит к неравновесной концентрации дырок около р-я- перехода по сравнению с их концентрацией в объеме. Дырки начинают диффундировать в глубь базы, рекомбинируя с электронами, поставляемыми омическим кон­ тактом. При длительном протекании тока процесс инжек­ ции дырок уравновешивается процессом их рекомбина­ ции. Создается некоторое динамическое равновесие; концентрация' дырок описывается выражением (2-75). Наряду с изменением концентрации избыточных дырок согласно принципу зарядовой нейтральности полупровод-

76

Кривые распределения концентраций во все время рас­ сасывания имеют максимум, который со временем уда­ ляется от p-n-перехода. Это говорит о том, что помимо рекомбинации и диффузии через р-я-переход дырки

Рис. 4-1. Распределение концентрации ды­ рок в базе для различных моментов вре­ мени выключения.

Сплошные кривые — переключение без ограничи­ вающего сопротивления; пунктирные кривые — переключение с ограничивающим сопротивле­ нием.

продолжают рассасываться за счет диффузии к базовому контакту.

Выражение для тока через р-я-структуру получим, подставляя (4-8) в выражение (1-27):

затем, учитывая формулу, аналогичную формуле (2-67), получим выражение в следующем виде:

79