Эффект стабилизации выходных характеристик диодов при термообработке

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 382 (083)
ЭФФЕКТ СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИОДОВ ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ Юшина Л. Д., Краев В. В. *, Салихов И. А. *
Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН, Екатеринбург *Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева, Казань Подробная информация об авторах размещена на сайте «Учёные России» — http: //www. famous-scientists. ru
Осуществив пролонгированную термообработку диодов серии КД 522 в жестких условиях [при температуре 230оС и обратном напряжении 15 V], удалось достичь не только стабилизации его выходных характеристик, но и расширить диапазон рабочих температур. Объяснение причин наблюдаемого эффекта было проведено с учетом свойств пленочных структур р-п-перехода, присутствующего в диоде. Исследования диодов КД 522А, КД 509А и транзисторов КТ 203А и МП-42 показали наличие аналогичного эффекта при специальной термообработке элементов в жестких условиях.
Как известно, [1, 2], диоды наряду с другими стандартными полупроводниковыми приборами используются в качестве точечных датчиков при измерениях температуры. Основными их преимуществами являются высокая чувствительность, малый потребляемый ток, низкая инерционность, малые габариты и дешевизна.
Обычно, верхний температурный предел применения таких датчиков ограничивают паспортными характеристиками. В случае их функционирования при более высоких температурах или температурах, граничных с паспортными значениями, -наблюдается нестабильность выходных параметров устройства во времени.
Нами были предприняты исследования по разработке метода стабилизации вольт-амперных характеристик и расширению температурного диапазона использования некоторых полупроводниковых элементов.
В качестве модельных объектов этого цикла НИР были взяты кремниевые диоды серии КД 522.
Методика эксперимента и результаты Приборы типа КД-522 — это эпитаксиально-планарные диоды, принцип действия которых основан на использовании свойств проводимости в пленочных структурах р-п-перехода.
В этих приборах базу изготавливают путем наращивания на подложке из низкоомного кремния — тонкого слоя высокоомного полупроводника, повторяющего структуру подложки. Этот эпитаксиальный слой покрывают плотной защитной пленкой диоксида кремния 8Ю2 толщиной до 1 мкм. В пленке протравливают окно, через которое путем диффузии бора (или алюминия) создают р-п переход, выход которого на поверхность защищен пленкой диоксида кремния. В КД 522 бор (или алюминий), дифференцирующий в кремний является акцепторной примесью [3].
Ранее нами было показано [4], что кремневые диоды серий КД 522 при температурах ^=200°С и обратном напряжении иобр=10 В), превышающих паспортные значения (^пах пасп& lt-150оС) — выявили нестабильность выходных параметров во времени: вольт-амперные характеристики
диодов «плывут». А при повышении температуры до t=200оС и иобр=30 В — происходит пробой.
В результате проведенной специальной термической обработки данных полупроводниковых элементов в жестких условиях (при обратном напряжении
Цобр 15 В & gt- Цраб итж С —-тах пасп С) была
достигнута стабилизация их использования при рабочей температуре до 200оС,
значительно превышающей паспортное значение (^аб & lt- 150оС).
Испытания показали, что при соблюдении условий Сах паспоС & lt- tраб0С & lt-
-отж С и иобр раб & lt- иобр отж , — диоды, подВергнутые пролонгированному термоотжигу при температуре 230оС — функционировали без пробоя.
При проведении термоотжига диоды помещались внутрь резистора (типа ПЭВ-10), являющегося нагревательным элементов. Исследования проводились после установления теплового режима. Точность поддержания температуры составляла ±
0,2оС. Оптимальный режим отжига и его длительность были подобраны экспериментально. Охлаждение после отжига проводилось со средней скоростью 40оС/час.
Обсуждение результатов
Фиксируемый эффект стабилизации характеристик объясняется, вероятнее всего, двумя причинами. Во-первых, в диодах серии КД 522, как указывалось выше, присутствуют пленочные слои полупроводника. А в пленках, как известно [5], изначально может наблюдаться нестабильность основных параметров, обусловленная наличием в их структуре вакансий и дефектов. Можно полагать, что энергия, подводимая при отжиге, обеспечивает диффузию и взаимодействие дефектов. А это приводит к их частичному или полному исчезновению и установлению устойчивого состояния. Согласно [5] энергия, необходимая для перемещения дефектов, очень незначительна. Она может изменяться от нуля до энергии активации, необходимой для самодиффузии.
Наряду с этим, в процессе длительного отжига происходит частично необратимый переход как основных, так и неосновных носителей полупроводника на более высокие энергетические уровни. Точнее имеет место перераспределение основных и неосновных носителей заряда в
р- и п-областях, и в самом переходе (искривление зон энергии). Энергия дырок в области основных носителей (рп) сдвигается в сторону валентной зоны, а у электронов в р-области (пр) происходит сдвиг в зону проводимости [3, 6]. Причем, для перевода электронов с донорных уровней в зону проводимости необходима малая энергия ДЕс, которая для кремния составляет ДЕс=0,054 еУ [2, 3, 6]. А свободные примесные энергетические уровни (акцепторные) располагаются несколько выше верхнего края валентной зоны основного кристалла, на расстоянии ДЕь Для кремния ДЕ),=0,06 еУ [3, 6]. Иными словами, термоотжиг, вероятнее всего, способствует сдвигу энергии дна зоны проводимости Ес и вершины валентной зоны Еу. В результате указанных выше изменений в состояниях энергетических зон полупроводника, высота потенциального барьера (ширина запрещенной зоны) уменьшается. В итоге, после отжига при дальнейшей эксплуатации диодов в более мягких условиях [Тот-ж°С & gt- ТрабоС & gt- Ттах пасЛС Ираб & lt- Иотж] возвращения к первоначальному (доотжиго-вому) состоянию не происходит, поскольку высота потенциального барьера р-п-перехода в начальном дообжиговом состоянии значительно превышает потенциальный барьер, достигнутый в процессе термообработки. А это в конечном итоге позволяет использовать диоды в более широком температурном интервале.
Как показали НИР, в результате отжига произошло некоторое увеличение обратного тока (1обр) исследуемых полупроводниковых элементов. Одной из причин роста (1обр) диода может являться термическая генерация носителей заряда в самом переходе (генерация электроннодырочных пар), приводящая к появлению теплового тока 1 т.
Согласно [3, 6] для несимметричной р-п-структуры (Пр& lt-<-Рп).
Т~ Ь
Ь (1)
Здесь 8 — площадь поперечного сечения р-и-перехода, Ьр — диффузионная длина дырок в и-области перехода- Бр — коэффициент диффузии дырок примесного полупроводника- рп — концентрация дырок в и-области перехода- пр — концентрация электронов в р-области перехода.
В ходе предпринятой обработки диодов с повышением обратного напряжения (до 15 В при отжиге), вследствие расширения перехода — увеличилась его толщина (5) и объем [4]:
— (j + U)
e
1
+
1
Na Ng
(2)
Здесь фк — контактная разность потенциалов, е — диэлектрическая проницаемость- (фк+и) — общее напряжение на переходе- N и N — концентрация доноров и акцепторов в переходе, соответственно.
И, как следствие, — число термически генерированных в переходе носителей заряда и тепловой ток перехода (1т) — возросли. Этот эффект особенно заметен в
еЖР
Io =
L
кремневых диодах, которым свойственен малый ток экстракции (Io). Для них It& gt-Iq [6].
Как известно [3], наиболее сильное влияние температура оказывает на ток экстракции (Io) электронно-дырочного перехода, поскольку его величина пропорциональна концентрации неосновных носителей заряда:
eSDpNC -DW
-- ------ ---exp-------
LpNg
кТ
или
Io = IT exp-
-AW
кТ
(3)
(4)
В уравнениях (3) и (4) ДW — ширина запрещенной зоны- 1 т — тепловой ток (см. уравнение 1) — N — концентрация до-норной примеси- N — эффективная плотность состояния в зоне проводимости.
8- Бр- Ьр- е и Рп имеют тот же физический смысл, что и в уравнении (1) — кТ -имеют общепринятое значение.
Здесь 10 — ток экстракции электронно-дырочного перехода, 1 Т — тепловой ток, 1у — возможный ток утечки.
Однако следует подчеркнуть — выполненные исследования показали, что наблюдаемое увеличение обратного тока (1обр) диодов после отжига, — незначительно и находится в диапазоне разбросов основных характеристик полупроводниковых элементов рассматриваемой серии.
Заключение Исследованы вольт-амперные характеристики кремневых диодов серии КД 522 в широком температурной интервале. Отмечено, что в случае их функционирования при температурах, превышающих паспортные значения (или граничные с ними) — наблюдается нестабильность вы-
В свою очередь, концентрация неосновных носителей с повышением температуры увеличивается по экспоненциальному закону [3]. В результате перечисленные выше причины при росте температуры вызывают увеличение общего обратного тока (1обр), проходящего через р-п-переход:
(5)
ходных параметров во времени. Используя длительную термообработку диодов в жестких условиях, удалось добиться не только стабилизации основных характеристик, но и заметно расширить диапазон рабочих температур (поднять верхний предел рабочих температур до +200оС). После проведенного отжига диоды стабильно функционировали при соблюдении условий:
Ттах паспоС & lt- Траб°С & lt- Хотж^ и Цраб & lt- Uотж, В.
Обсуждены возможные причины, обусловившие проявление указанного эффекта термостабилизации. Следует подчеркнуть, что наблюдаемый эффект может иметь место у разных типов и классов полупроводниковых приборов. Так, в ходе испытаний диодов КД 503А, КД 509А и транзисторов КТ 203А и МП — 42, под-
обр
Io + It + Iy
вергнутых специальному отжигу, нами зафиксировано аналогичное расширение интервала рабочих температур и стабилизация выходных параметров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Викулин И. М., Стафеев В. И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990. 264 с.
2. Гитцевич И. В., Баюков А. В., Зайцев А. А. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные при-
боры. Справочник. М.: Энергоиздат, 1982. 744 с.
3. Батушев В. А. Электронные приборы. М.: Высшая школа, 1980. 384 с.
4. Юшина Л. Д., Краев В. В., Салихов И. А. // Современные наукоемкие технологии. 2007. № 12. с. 126.
5. Технология тонких пленок. Под ред. Майссела Л. М.: Сов. радио, 1977. 775 с.
6. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987. 480 с.
EFFECT OF STABILIZING DIODES CHARACTERISTICS BY USING THE SPECIAL
THERMO-TREATMENT Yushina L.D., Krayev V.V. *, Salikhov I.A. *
Institute of High-Temperature Electrochemistry of Russian Academy of Sciences Ural Division,
Ekaterinburg
*Kazan State Technical University named after A.N. Tupolev, Kazan
It was carried out the prolonged thermo-treatment of diodes seria Kfl, 522 into the hard conditions [tth = 230oC by Ureu = 15 V]. This processing allowed to reach not only the stability of the exit diodes characteristics but it have extended the region of theirs working temperatures also. The explanation of reasons this effect was realized calculating the properties of the film structure p-n-transition which one presented into diode Kfl, 522. Preliminary Investigations diodes seria Kfl, 503A, Kfl, 509A and transistors seria KT 203A and MP-42 were showed also analogical effect by the special thermo-treatment of elements.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой