Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат

Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат

Русская Академия

Сибирское отделение

Институт физики полупроводников

Реферат

к сдаче кандидатского экзамена

по специальности 01.04.10

“Физика полупроводников”

на тему:

“ Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии.

Воздействие времени жизни на характеристики высоковольтных устройств на кремнии. ”

Чернявский Е. В. Научный управляющий:

к.ф-м. н. Попов В.П.

Новосибирск - 1999

Содержание:

Введение

1. Обзор литературы

2. Определение времени жизни по Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат эталону ASTM F28-91

3. Механизмы рекомбинации

4. Выводы


Введение

Для биполярных устройств, работа которых связана с инжекцией неосновных носителей, в особенности для устройств, работающих в области больших напряжений, врямя жизни носителей очень принципиально для таких характеристик как: падение напряжения в открытом состоянии , динамические свойства, поткри при выключении. Обычно компромисс меж этими конкурирующими Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат параметрами достигается оковём облучения электронами, протонами либо легированием примесями , дающими глубочайшие уровни в кремнии. Также время жизни является принципиальным параметром для характеризации высокоомного кремния , его структурного совершенства. В связи с этим измерения времени жизни, возможность его регулирования представляет большой практический энтузиазм.

1. Обзор литературы.

Для многих устройств, таких как высоковольтные тиристоры Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат, нужен

большой температурный спектр работы, в границах 40° С - 125° С. Потому изменение времени жизни носителей зависимо от температуры может оказать существенное воздействие на свойства прибора.

В программках моделирования полупроводниковых устройств

( одномерных [1], двумерных [2]) решаются стандартные уравнения диффузионно – дрейфового приближения [3]. Обычно применяется модель рекомбинации Шокли – Холла - Рида [4] для 1-го уровня в запрещённой зоне Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат. Время жизни для электронов и дырок в этой модели описывается как

tр =1 /sp Vth Nt tn =1 /sn Vth Nt (1.1)

где:

Nt – концентрация рекомбинационных центров.

Vth = (3kT/m)1/2 » 107 см/сек – термическая скорость носителей

sp , sn – сечение захвата электронов и дырок соответственно.

В пренебрежении зависимостью sp , sn от температуры это позволяет представить Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат, что tn,р изменяется с температурой как Т-1/2 . Бессчетные исследования [5], [6], [7], демонстрируют, что температурная зависимость tn,р значительно посильнее. Согласно [7] температурная зависимость времени жизни определяется как:

tр ~T2.8 tn ~T2.2 (1.2)

Не считая того, при моделировании устройств нужно учесть зависимость времени жизни от концентрации акцепторной и донорной примеси. Такая зависимость Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат рассмотрена в [8]. Она определяется формулой :

tn,p (x) = tn,p / (1+( {Na (x)+Nd (x)}/3*1015 )1/2 ) (1.3)

В работе [9] проводилось 2-х мерное моделирование зависимости тока управляющего электрода в GTO (Gate Turn Off thyristor) от температуры. В этой работе использовалась модель подвижности Даркеля и Летурка [8], в какой учитываются эффекты рассеяния носителей заряда на носителях, возникающие при Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат больших уровнях инжекции. Также была изменена температурная зависимость подвижности носителей. Были добавлены учет диссипации энергии при протекании тока и учет энергии рекомбинации. Дополнительно к сокращению времени жизни в высоколегированных областях ( по Шарфеттеру) n-эмиттера употреблялся коэффициент 0,8 учитывающий эффекты геттерирования и коэффициент 0,3 в высоколегированных слоях р-эмиттера , учитывающий вжигание Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат аллюминиевой металлизации на анодном контакте. Рассчитанный по этой модели ток сравнивался с тестом. Приобретенная таким макаром зависимость времени жизни приведена на рис. 1.1

Рис. 1.1. Температурная зависимость времени жизни по [9]

В температурном спектре 25° С - 125° С наблюдается линейный рост времени жизни зависимо от температуры.

В сязи с массовым выпуском IGBT (Insulated Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат Gate Bipolar Transistor), GTO встает вопрос о резвом и накрепко тестировании времени жизни носителей конкретно на кристалле прибора. В работах [10] , [11], [12] рассматривается вопрос о использовании для этой цели p-i-n диодов. В работе [13] приводится пример испытательной структуры , изготавливаемой конкретно на кристалле IGBT, используемой для контроля времени жизни. Приведены вольт – амперная Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат черта и значения падения напряжения на диодике зависимо от времени жизни в n— базе. Наибольшая плотность тока в диодике 100 А/см2 . Тестируемые значения времени жизни от 4 до 100 mсек. Определенные времена жизни по падению напряжения проверялись по способу восстановления назад смещенного диодика.

Но площадь тестовых частей, расположенных на скрайбовой Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат дорожке кристалла возможно окажется мала для уверенного определения времени жизни. В лаб. 10 ИФП СО РАН разработан способ, позволяющий определять время жизни на рабочих структурах МСТ после дополнительных технологических обработок [14]. Используемый способ – восстановление назад смещенного диодика. В качестве катода употреблялся Р-карман над которым размещен контакт к затвору тиристора. В процессе измерений Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат сравнивались кристаллы МСТ, сделанные по одному технологическому маршруту на 2-ух предприятиях – АО “Ангстрем” и АО “Восток”. Средние значения времени жизни составили – 40,3 мкс (АО “Ангстрем”) и 11,6 мкс (АО “Восток”). Из сопоставления времен жизни видно, как принципиальна технологическая чистота процессов, применяемых при изготовлении высоковольтных устройств. Недочетом способа будет Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат то, что этот способ – разрушающий.

Потому что время жизни жизни в высокомной базе определяет такую важную характеристику прибора как , как энергопотери во время выключения прибора, то в литературе уделяется огромное внимание регулированию этого параметра. В качестве 1-го из способов применяется облучение протонами эмиттерной (анодной) стороны прибора [15]. Эта разработка позволяет уменьшить утраты при Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат выключении прибора методом введения огромного числа рекомбинационных центров и уменьшения времени жизни носителей в базисной области , примыкающей к аноду. В работе [16] в качестве примера рассматривался IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor) c напряжением блокирования 4,5 кВ. Для облучения применялись протоны с дозами 5×1011 см-2 и 7×1011 см-2 . Об энергиях протонов в статье не Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат сообщается, но по глубине залегания радиационных изъянов можно сказать, что она более 2 МэВ. Падения напряжения в открытом состоянии составили более 4,7 и 5,4 В соответственно при плотности тока 100 А/см2 . Энергопотери при выключении составили 35 mДж/см2 и 25 mДж/см2 . Но при повышении дозы облучения на ВАХ появлется участок с Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат отрицательным динамическим сопротивлением, что приводит к осцилляциям тока и ухудшению черт прибора. В статье [16] обозначено на необходимость четкого подбора дозы облучения.

Регулирование времени жизни представляет энтузиазм не только лишь исходя из убеждений его уменьшение. Падение напряжения в низколегированой области находится в зависимости от величины времени жизни. В процессе Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат технологических обработок пластинки загрязняются примесями, многие из которых представляют из себя рекомбинационные центры. Потому встаёт вопрос о геттерировании таких примесей в процессе технологических обработок с целью увеличения времени жизни носителей. Вопросы геттерирования тщательно рассмотрены в [17] .

2. Определение времени жизни по эталону ASTM F28-91

Cтандарт ASTM F28-91 определяет порядок и условия определения обьемного Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат времени жизни носителей в германии и в кремнии. Эта эталон основан на измерении спада импульсного тока вызванного импульсной засветкой эталона.

Другие эталоны измерения времени жизни:

1) DIN 50440/1 “Измерение времени жизни в монокристаллах кремния на базе спада фототока”

2) IEEE Standart 255 “Измерение времени жизни неосновных носителей в кремнии и германии на базе Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат спада фототока ”.

Эталон ASTM F28-91 определяет три типа образцов, используемых при измерениях. Типы образцов приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Размеры образцов, используемых при измерениях.

Тип эталона

Длина, мм

Ширина, мм

Высота, мм

A

15,0

2,5

2,5

B

25,0

5,0

5,0

C

25,0

10,0

10,0

Таблица 2.2 Очень допустимые обьемные времена жизни неосновных носителей для различных полупроводников и образцов , mсек.

Материал

Тип А

Тип B

Тип C

p-тип германий

32

125

460

n-тип Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат германий

64

250

950

n-тип кремний

90

350

1300

р-тип кремний

240

1000

3800

Таблица 2.3. Темп поверхностной рекомбинации для различных полупроводников и типов образцов, Rs , mS-1 .

Материал

Тип А

Тип B

Тип C

p-тип германий

0,03230

0.00813

0.00215

n-тип германий

0.01575

0.00396

0,00105

n-тип кремний

0,01120

0,00282

0,00075

р-тип кремний

0,00420

0,00105

0,00028

После засветки эталона импульсом света напряжение на образчике изменяется по закону:

DV=DV0 exp(-t/tf ) (2.1)

где:

DV – напряжение на образчике

DV0 - наибольшая Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат амплитуда напряжения на образчике

t - время

tf - измеренное время экспоненциального спада.

В силу нескольких обстоятельств экспоненциальная форма сигнала (2.1) может быть искажена. Это может быть обосновано как поверхностной рекомбинацией , скорость которой много выше обьемной, так и наличия глубочайших уровней, на которых могут захватыватся носители. Устранение воздействия поверхностной рекомбинации достигается 2 способами:

1) Внедрением длины Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат волны излучения, возбуждающего носители

больше 1 мкм (для этого используются фильтры см. рис. 2.1.)

2) Внедрение эталона соответственных размеров (см. Таблицу 2.3)

Для устранения прилипания носителей употребляются два способа:

1) Нагревание эталона до 70 °С

2) Фоновая неизменная подсветка эталона.

Но при использовании температурного способа нужно подразумевать, что время жизни очень находится в зависимости от температуры эталона ( ~ 1% на градус Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат).

Потому при сопоставлении времен жизни на нескольких образчиках нужно смотреть, чтоб температурные условия измерений были схожи.

Не считая того нужно убедится, что в проводимости принимают участие носители, воникшие в итоге возбуждения импульсом света. Для этого напряжение смещения Vdc, поданное на измеряемый эталон должно удовлетворять требованию:

Vdc £ (106 ×Lc Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат×L)/(500×m×tf ) (2.2)

Где :

Lc – растояние от края области засветки эталона до области контакта , мм

L – длина эталона , мм

tf - измеренное время экспоненциального спада, mS.

m - - подвижность неосновных носителей, см2 /В×сек

Экспоненциальный спад тока фотопроводимости соответствует времени жизни в случае , если уровень инжекции фототока мал в сопоставлении с уровнем инжекции тока, протекающего под Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат действием потенциала смещения. Это требование удовлетворено в случае выполнения соотношения:

DV0 /Vdc £ 0.01 (2.3)

Если это условие не выполнено, то следует внести поправку в экспоненциальный спад тока фотопроводимости по формуле:

tf = tf изм ×[ 1- (DV0 /Vdc) ] (2.4)

Где:

tf изм - экспоненциальный спад тока фотопроводимости

tf - экспоненциальный спад тока фотопроводимости после внесения поправки

После внесения этой Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат поправки объемное время жизни неосновных носителей рассчитывается по формуле :

t0 = (tf -1 – Rs )-1 (2.5)

Где Rs определяется из таблицы 2.3.

Эталоном ASTM F28 – 91 при выполнении вышеперечиленых критерий устанавливается погрешность ±50% для измерений на германиевых образчиках и ±135% для измерений на кремниевых образчиках.

Рис. 2.1. Блок схема установки по измерению времени жизни фотоэлектирическим способом.

3. Механизмы рекомбинации

По Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат виду передачи энергии рекомбинирующих частиц различают три главных типа рекомбинации.

1. Рекомбинация именуется излучательной, либо фотонной, если энергия рекомбинирующих частиц выделяется в виде энергии фотона.

2. Если энергия частички передаётся решетке (фононам) , то рекомбинация именуется безизлучательной, либо фононной.

3. Одним из видов безизлучательной рекомбинации является ударнaя ионизация ( процессы Оже ), когда энергия рекомбинирующих частиц Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат передается третьей частичке , которая благодаря этому становиться “жаркой”. “Жгучая” частичка в итоге нескольких столкновений передает свою энергию фононам.

Кроме этих 3-х главных устройств, энергия рекомбинирующих частиц может передаваться электрическому газу ( плазменная рекомбинация ). Если электрон и дырка образуют в качестве промежного состояния экситон, то такая рекомбинация носит заглавие Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат экситонной.

Фотонная, фононная и рекомбинация Оже могут протекать по различному зависимо от механизма перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону. Если частички рекомбинируют в итоге конкретной встречи электрона и дырки, то такая рекомбинация именуется прямой, либо межзонной. Ровная рекомбинация играет роль в полупроводниках с малой шириной нелегальной Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат зоны порядка 0,2 – 0,3 эВ и меньше.

Если ширина нелегальной зоны больше 0,5 эВ , то рекомбинация происходит через локализованные состояния , лежащие в нелегальной зоне. Эти сосстояния обычно именуются рекомбинационными ловушками.

Представим, что в полупроводнике имеются недостатки уровни энергии которых лежат в нелегальной зоне , а уровень энергии Et не занят электроном (дыркой). Вероятен целый Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат ряд процессов, схематически изображенных на

Рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схемы рекомбинации носителей. Ес –дно зоны проводимости, Et – уровень посреди запрещённой зоны, Еv – уровень валентной зоны.

а)- нейтральный недостаток захватывает свободную дырку

б)- негативно заряженый недостаток дает электрон в зону проводимости. Таким макаром, электрон , побыв некое время

на уровне недостатка, вновь становится свободным. Если Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат недостаток с уровнем энергии Et производит захват свободных электронов с следующим их освобождением , то он именуется ловушкой захвата электрона;

в)- нейтральный недостаток захватывает свободную дырку ( дает электрон валентной зоне);

г)- положительно заряженый недостаток захватывает электрон из валентной зоны; таковой недостаток именуется ловушкой захвата дырки;

д)- захватив электрон из зоны Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат проводимости, негативно заряженый недостаток захватывает свободную дырку – отдаёт захваченый электрон в валентную зону. Происходит процесс рекомбинации пары электрон - дырка;

е)- захватив свободную дырку, положительно заряженый недостаток захватывает свободный электрон, превращаясь в нейтральный недостаток. Происходит процесс рекомбинации свободной пары электрон – дырка.

Захват носителей заряда не оказывает влияние на Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат стационарное время жизни,

но влияет на секундное время жизни. Освобождение захваченного носителя заряда может быть вызвано термическим перебросом.

В неких случаях это происходит в итоге подсветки.

4. Выводы

В связи с бурным развитием силовой электроники в ближайшее время проявляется завышенный энтузиазм к высокоомному кремнию. Высокоомный кремний является материалом для таких устройств как Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат IGBT, GTO, IGCT, MCT. Потому контроль времени жизни в кремнии, возможность его регулирования в данных границах предсталяет большой практический энтузиазм.

Литература:

1. W.L. Engl, R. Laur and K. Dirks, IEEE, CAD-1,85, 1982

2. Technology Modeling Associates. Inc.Palo Alto,California. USA, MEDICI user’s manual. March 1992

3. W. Van Robosbroek, Bell System Technical Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат Journal, 29 , 560 , 1950

4. W. Shokley and T.W. Read, Physical Review 87, pp. 835-842, 1952 ; R. N. Hall, Physical Review 87, 387, 1952.

5. M. S. Tiyagi, R. Van Oberstaen, Minority carrier recombination in in heavily doped silicon. Solid State Elrctronics, Vol. 26, No. 6, pp. 577-597, 1983

6. A.G. Milnes, Deep Impurities in Semiconductors, Wiley, New York, 1973.

7. I.V. Grekhov Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат, N.N Korotkov and A.E. Otbelsk, Soviet Physics Semicond., 12, 184 , 1977.

8. J. M. Dorkel, Ph. Lecturcq, Solid – State Electronics, Vol. 24, pp. 821 –825, 1981.

9. Y.G. Gerstenmaier, Proc. Of the 6th Internat. Symposium on Power

Semiconductor Devices & IC’s, Davos, Switzerland, May 31 – June2, pp. 271 –274 ,1994

10. Ichiro Omura and Akio Nakagava, Proc. Of 1995 ISPSD, pp. 422-426, 1995, Yokohama.

11. Olof Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат Tornblad et al, Proc. Of 1995 ISPSD, pp. 380-384, 1995, Yokohama.

12. Thomas Flohr and Reinhard Helbig, IEEE Transactions on Electron Devices Vol. 37, No. 9 Sept., pp. 2076-2079, 1990.

13. Shinji Aono, Tetsuo Takahashi, Katsumi Nakamura, Hideki Nakamura, Akio Uenishi, Masana Harada. A simple and effective lifetime evaluation method with diode test structures in IGBT. // IEEE Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат Trans. On Electron. Dev. n.2, pp. 117-120, 1997.

14. Годичный отчет по интеграционному проекту. ИФП СО РАН, 1997.

15. M. W. Huppi, Proton irradiation of silicon : Complete electrical characterization of the induced recombination centers, Jour. Applied Physics, vol. 68, pp 2708-2707, 1990.

16. Simon Eicher, Tsuneo Okura, Koichi Sugoyama, Hideki Ninomiya, Hiromichi Ohashi, Advanced Lifetime Control Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии - реферат for reducing turn-off swithing losses of 4.5 kV IEGT devices, Proc. Of 1998 International Symposium on Power Srmiconductor Devices & IC’s, Kyoto, 1998.

17. Яновская С.Г., Реферат “ Формирование и геттерирующие характеристики нитридных преципитатов в слоях Si, имплантированных ионами азота.”, ИФП СО РАН, 1997.



opredelenie-uchitivaemih-dohodov.html
opredelenie-udelnogo-zaryada-elektrona.html
opredelenie-udelnoj-poverhnosti-cementa.html