Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

132 Гл. 1. Полупроводниковые диоды

особенно заметно при работе высоковольтных диодов на повышенных частотах (в этих диодах для получения хороших статических вольт-амперных характеристик обычно используется материал с большим временем жизни). Длительное время обратного восстановления диода сильно ограничивает и использование этих приборов в электронных схемах, работающих в импульсном

примесями, создающими глубокие примесные уровни вблизи середины запрещенной зоны (как мы видели в п. 1.2.2, именно

ми [11]. Радиационные дефекты, образующиеся при таком облучении, отжигаются при 300 °С , то есть при температуре, заметно превышающей рабочую.

Другим способом повышения быстродействия может быть использование диодов с тонкой базой, рассмотренных нами на с. 25. Быстродействие этих диодов определяется временем, необходимым для диффузии инжектированных носителей через тонкую базу до контакта. Примером таких диодов могут служить отечественные эпитаксиально-планарные диоды КД509А, КД510А, имеющие время восстановления 2 - 4 не при напряжении пробоя 70 В.

Рассмотренные нами явления, приводящие к ограничению быстродействия диодов с р-п-переходами, обязаны своим происхождением тому, что в работе этих диодов используется инжекция неосновных носителей, которые имеют конечное время жизни. Чтобы увеличить быстродействие, диоды для импульсных

устройств (диоды с малым временем восстановления) изготав-

ливают из полупроводников, в которые с целью уменьшения времени жизни вводят примеси, создающие глубокие уровни. Однако возможности этого подхода ограничены обычно невысокой растворимостью таких примесей; в Si, например, достаточно трудно получить время жизни короче нескольких наносекунд. В GaAs, который является прямозонным полупроводником, время жизни может быть уменьшено до 0,1 не. Поэтому решительное продвижение в область более высоких частот требует отказа от использования приборов, работа которых основана на явлении инжекции.

фузии инжектируемых носителей в глубь пластины и, следовательно, при подаче прямого смещения инжектированные носители остаются «прижатыми» к р-г- и г-п-переходам. Поэтому, когда после пропускания прямого тока, к диоду оказывается приложенным обратное смещение, экстракция инжектированных носителей происходит очень быстро, обеспечивая быстрое восстановление непроводящего (блокирующего) состояния диода.

Для оценки основных параметров диодов с накоплением заряда рас-

в n-области которого за счет неоднородного легирования создано постоянное электрическое поле £. Поскольку в таком переходе происходит преимущественная инжекция дырок, нам надо решить уравнение непрерывности для дырок (1.23), в котором £ = const ф О,

Уровень инжекции будем считать невысоким, чтобы экранированием электрического поля инжектируемыми носителями можно было пренебречь. Нетрудно показать, что решение уравнения непрерывности представляет собой сумму нарастающей и убывающей экспонент, ха-

изменяются: для тормозящего электрического поля характерная длина становится равной , ~

Таким образом, видно, что создание в диоде сильного тормозящего поля для диффузии носителей позволяет существенно уменьшить время восстановления.

136 Гл. 1. Полупроводниковые диоды

этого метода, которая пригодна для изучения ловушек как для неосновных, так и основных носителей, причем работает и в случае одновременного присутствия в образцах нескольких глубоких уровней.

До сих пор, рассматривая барьерную емкость р-п-перехода, мы полагали, что толщина обедненного слоя определяется концентрацией мелких (водородоподобных) доноров и акцепторов, которыми легированы п- и р-области полупроводника. На самом деле толщина обедненного слоя определяется концентрацией всех заряженных уровней в р-п-переходе, в том числе и глубоких.

Метод DLTS основан на изучении кинетики изменения емкости р-п-перехода (или барьера Шоттки) при перезарядке (изменении заполнения электронами) глубоких уровней. Рассмотрим асимметрично легированный р+ -п-переход, в n-области которого кроме мелких доноров с концентрацией N4 есть еще глубокие уровни однозарядных акцепторов с концентрацией Nt (см. рис. 1.46,а), которые являются ловушками для неосновных носителей (дырок). Подадим на р-п-переход короткий импульс прямого смещения (так называемый насыщающий импульс инжекции), При этом дырки, инжектируемые в n-область диода, захватываются на глубокие акцепторы и изменяют их зарядовое состояние с А~ на А?. Если после этого восстановить начальное смещение на р-п-переходе, то (поскольку полный заряд примесей, приходящийся на единицу объема n-области, увеличился с Nd - Nt до Nd на величину заряда дырок, захваченных глубокими акцепторами) толщина области пространственного заряда уменьшится по сравнению с начальным значением, а емкость

р-п-перехода — увеличится.

После восстановления начального смещения заполнение глубоких уровней начинает возвращаться к равновесному состоянию. Поскольку уровни, определяющие толщину области пространственного заряда, находятся в обедненном слое (концентрация свободных электронов и дырок в котором очень мала), то можно пренебречь захватом носителей на уровни и считать, что изменение заполнения уровней определяется только процессами выброса носителей. Для глубоких акцепторов время релаксации заполнения уровня связано с темпом теплового выброса дырок с акцепторного уровня ер следующим соотношением [108]:

Бе

ДС I

сечение захвата дырок на глубокий уровень, a Et — энергетическое положение уровня в запрещенной зоне. По мере того, как ДЁфки, захваченные на глубокие акцепторы, выбрасываются в валентную зону, заряд этих центров изменяется и, соответственно, Изменяется и емкость р-п-перехода.

: Изучая кинетику релаксации емкости после прекращения насыщающего импульса инжекции, можно определить основные характеристики глубоких уровней: их концентрацию, энергетическое положение и сечение захвата. Концентрация глубоких уровней рассчитывается из величины относительного изменения емкости ACQ/CQ. ЕСЛИ считать, что за время насыщающего импульса инжекции глубокие акцепторы полностью заполняются дырками, а их концентрация Nt -С Nd, то для резкого р - п - перехода из формулы (1.121) получаем

Дляi того, чтобы определить энергетическое положение и сечение захвата, измерения скорости релаксации емкости прово-

дятся при различных температурах (см. рис. 1.46 6). В соответствии с формулой (1.137), по наклону зависимости 1птрел от 1 /Т определяется энергетическое положение уровня в запрещенной зоне, а по величине отсечки прямой при 1/Г—>0 — сечение захвата.

При практической реализации метода DLTS обычно изучаются не кривые релаксации, а измеряется разность емкостей диода при двух значениях времени задержки после окончания импульса инжекции (ti и £2 на рис. 1.46 6). Так как изменение емкости происходит приблизительно по экспоненциальному закону, то разность емкостей, измеренных в эти моменты времени, равна

где ACQ — изменение емкости, вызванное импульсом инжекции. Поскольку время релаксации ТреЛ быстро уменьшается с увеличением температуры, то зависимость ЛС(Т) будет иметь вид кривой с максимумом при температуре, при которой эта разность максимальна, то есть когда

рых будет систематически сдвигаться. Обработка этих кривых позволяет по амплитуде пика сделать вывод о концентрации глубоких уровней, а по смещению максимума с температурой — об энергетическом положении уровня и его сечении захвата. Этот подход оказывается особенно полезным для изучения полупроводников с несколькими глубокими уровнями, релаксация емкости в которых описывается суммой нескольких экспонент, Типичные спектры DLTS для кремниевых диодов, легированных ванадием, показаны на рис. 1.46 е. Наблюдаемый в них положительный пик С отвечает акцепторному уровню с энергией Et = = Ev + 0,45 эВ, Напомним, что положительные пики на кривых DLTS отвечают ловушкам для неосновных носителей.

При изучении параметров глубоких уровней, являющимися ловушками для основных носителей (уровнями донорного типа в р+-тг-переходе), необходимо иметь в виду, что эти уровни обычно лежат ниже уровня Ферми, они полностью заполнены

Г л а в а 2

Б И П О Л Я Р Н Ы Е Т Р А Н З И С Т О Р Ы

2 . 1 . Н е м н о г о и с т о р и и . К о н с т р у к ц и и б и п о л я р н о г о т р а н з и с т о р а

Изобретение в 1947 г. группой сотрудников из Bell Laboratories транзистора — твердотельного прибора, способного усиливать электрические сигналы, и осознание возможности замены не очень надежных электронных ламп в радиоэлектронных устройствах более надежными транзисторами послужило толчком к исключительно бурному развитию всех направлений физики и технического применения полупроводников. На сегодняшний день транзистор остается одним из наиболее важных дискретных приборов и существенным компонентом интегральных схем. Число изготовленных к настоящему времени транзисторов оценивается фантастической цифрой — несколько единиц на 1018, что составляет почти миллиард транзисторов на каждого

*) Эта цифра не будет казаться столь уж фантастической, если учесть, что выпускаемые в настоящее время двухъядерные процессоры фирм Intel и A M D содержат около 230 млн. транзисторов, а типичное для современных ЭВМ оперативное запоминающее устройство емкостью 512 Мбайт — более 4 млрд. транзисторов. По данным электронной биржи DRAMeXchange, в 2006 г. во всем мире было произведено 10,58 млрд. микросхем динамической памяти условной емкостью 256 Мбит, т. е. в запоминающих матрицах только одного этого типа микросхем содержалось 2,84 1018 транзисторов.

физические принципы. Это — биполярные и полевые транзисторы» В этой главе мы рассмотрим физические принципы работы биполярных транзисторов, а работа полевых транзисторов будет рассмотрена в гл. 4. Хотя биполярные транзисторы появились первыми, в настоящее время их доля на рынке полупроводниковых приборов составляет около 5%.

Открытие транзистора было случайным. В 1946 г. в Bell Laboratories была организована группа, занимавшаяся фундаментальными исследованиями в области полупроводников, одним из руководителей которой был Уильям Шокли.

Сотрудники группы пытались создать полевой транзистор. После не очень успешных результатов по изучению эффекта поля в напыленцых тонких пленках Ge и Si было решено попробовать реализовать идею полевого транзистора в тонких инверсионных слоях на поверхности этих полупроводников. Уолтер Браттейн и Джон Бардин (теоретик, обсуждавший получаемые в группе результаты) начали исследовать Структуры с двумя контактами, созданными на поверхности полупроводника. Один из контактов в этой структуре использовался для управления толщиной инверсионного слоя, а с помощью другого (точечного) контакта измерялся ток носителей, возбуждаемых в этом слое. Пока в качестве первого контакта использовалась капля электролита, ток во втором контакте изменялся в соответствии с ожидаемой зависимостью для толщины инверсионного слоя. Однако когда электролит был заменен на металл, обнаружилось, что при подаче прямого смещения на Лот контакт вместо уменьшения ток во втором контакте увеличивался.

-Браттейн и Бардин поняли, что этот неожиданный эффект связан

синжекцией носителей первым контактом и собиранием их вторым контактом. После нескольких экспериментов они нашли конструкцию,

акоторой этот эффект был максимален. Это и был точечно-контактный Транзистор [109].

, За исследования в области физики полупроводников и открытие транзисторного эффекта Браттейн, Бардин и Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 г.

* Первым типом биполярного транзистора был точечный

(точечно-контактный) транзистор, созданный в 1947 г. Этот

транзистор представлял собой пластинку n-Ge, называемую базой (от англ. base — основание), на поверхности которой создавались два точечных контакта из вольфрама или фосфористой бронзы, расположенные рядом на расстоянии около 50 мкм (см. рис* 2.1 а). На один контакт, называемый эмиттером (от англ. emit — испускать), подавалось положительное (прямое) смещение относительно базы, а на другой контакт, называемый коллектором (от англ. collect — собирать), — отрицательное (обратное) смещение. Ток в цепи эмиттера оказывал сильное влияние на ток в цепи коллектора. Так, при достаточно высоком