Способ определения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых приборах с @ - @ переходами Советский патент 1984 года по МПК G01R31/26 H01L21/66 

Изобретение относится к измерител ной технике и может быть использован при исследовании, разработке и контроле полупроводниковых приборов 5 дей ствие которых основано на модуляции параметров неравновесной проводимости, например магнитодиодов. Известен способ измерения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых приборах с р-ппереходами, включающий измерение зависимости полной эквивалентной емкос ти Cj о-п-перехода от тока прямого смещения С1. Измерения по указанному способу дают удовлетворительные результаты в том случае, когда базовая область прибора выполнена из сравнительного низкоомного полупроводника отношение геометрической длины базовой области (d) к длине диффузионного смещения свободных носителей заряда (L) составляет 1-2, модуль емкостного сопротивления р-п-перехода . много меньше его активной состав ляющей. Полупроводниковые приборы, действие которьгх основано на модуляции параметров неравновесной проводи мости, изготавливаются на основе полупроводников с высоким удельным сопротивлением (близким к собственному) , -отношение d/L у подобных приборов значительно превышает единицу . - , / 3-5. Поэтому измерить с требуемо точностью эквивалентную емкость р-пперехода таких приборов оказывается практически невозможно. Из-за большо величины сопротивления базовой облас прибора приходится выбирать столь низкую частоту измерительного сигнала, что реактивная составляющая сопротивления р-п-перехода становится соизм( имой с его активной составляющей . HaH6oj7ee близким по технической сущности к изобретению является способ определения времени жизни неосновных носителей заряда в полупровод никовых приборах с р-п-переходами, включающий подключение полупроводникового прибора в измерительную цепЬг последовательное пропускание через измерительную цепь импульсов прямого и обратного токов, измерение временного интервала от момента подачи импульса обратного тока и определение на основании измеренного интервала времени жизни неосновных носителей заряда 2. Известный способ оказывается непригодным для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых приборах, действие которых основано на модуляции параметров неравновесной проводимости. Как указывалось, подобные приборы имеют длинную базу, т.е. - / 3-5, и изгс тавливаются на основе высокоомных полупроводниковых материалов с удельным сопротивлением, близким к собственному. В связи с этим прямое сопротивление прибора практически полностью определяется сопротивлением его базовой области. При переключении полярности тока, протекающего через исследуемый прибор на обратную, р-пгпереход ос- . тается смещенным в прямом направлении до тех пор, пока концентрация неравновесных носителей на его границе отлична от нуля. В этот период времени сопротивление прибора продолжает практически полностью определяться сопротивлением его базовой области, которое возрастает во времени из-за ре;комбинации неравновесных носителей заряда. Получение в этих условиях полочки (период ограничения обратного тока, во время которого обратный ток остается практически неизменным), по продолжительности которой определяется время жизни носителей в известном способе, невозможно. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей. Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых приборах с р-п-переходами, включающему подключение полупроводникового прибора в измерительную цепь, последовательное пропускание через измерительную цепь импульсов прямого и обратного токов, измерение временного интервала от момента подачи импульса обратного тока и определение времени жизни неосновных носителей заряда, дополнительно измеряют установившееся значение прямого сопротивления испытуемого прибора и сопротивление измерительной цеи во время действия импульса прямо-

310

го тока, во время действия импульса обратного тока измеряют максимальное значение обратного тока через испытуемый прибор, а временный интервал измеряют до момента смены знака тока через испытуемый прибор, по измеренным значениям сопротивлений и известным величинам пропускаемых токов рассчитывают семейство теоретических зависимостей обратного тока через полупроводниковый прибор после момента переключения токов от времени, нормированного по -величине времени жизни неосновных носителей заряда, выбирают из этого семейства зависимость, у которой значение максимального обратного тока совпадает с измеренным, и определяют время жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковом приборе из вь1ражения

irri./K

где I. - время жизни неосновных носителей заряда, tj, - измеренный временный интервал,

К - нормированный момент времени, при котором выбранная теоретическая зависимость меняет знак.

На фиг. 1 показана эквивалентная схема измерительной цепи; на фиг.2 временные диаграммы токов, пропускаемых через измерительную цепь и протекающих через прибор, на фиг. 3 семейство расчетных кривых нормированного тока через испытуемый прибор

Отсутствие полочки объясняется тем фактом, что в любом реальном измерительном устройстве (фиг. 1) параллельно цепи, включающей в себя (Исследуемый прибор 1-и последовательно включенное с ним входное сопротивление токосъемного элемента 2, всегда подключена емкость 3, обусловленная как минимум выходными емкостями генераторов тока, монтажными емкостями и т.п. Эти емкости, как правило невелики (10-100 пФ) и не играет существенной роли при исследовании переходных процессов в полупроводниковых приборах, у которых сопротивление базовой области сравнительно мало. Положение изменяется коренным образом при исследовании полупроводниковых приборов, действие которых основано на модуляции параметров неравновесной проводимости толщи

64

полупроводника. Прямое сопротивление таких приборов на порядки превышает аналогичную величину у известных выпрямительных и импульсных диодов, известных типов транзисторов и т.п. и может составлять десятки кОм.

Как указывалось, практически все напряжение, приложенное к указанного типа 11рибору, падает на его базовой области. При переключении тока с прямого направления на обратное инжекция неосновных носителей в базу прибора прекращается, сопротивление ее Начинает возрастать во времени в основном из-за рекомбинации носителей заряда. При этом р-п-переход еще продолжает оставаться смещенным в прямом направлении, т.е. обладает относительно малым сопротивлением.

В первом приближении закон возрастания сопротивления базовой области имеет экспоненциальный характер

R ,(1)

где R - установившееся сопротивление базы при прямом токе; 1 - константа релаксации сопротивления базы, имеющая смысл времени жизни неосновных носителей заряда в ней. Анализ переходного процесса после переключения тока в измерительной цепи (фиг.1) проведен в предположении идеальности генераторов тока (прямого и обратного) и соответс.твии изменения сопротивления базы во времени формуле (1).

Дифференциальное уравнение, описывающее ток через полупроводниковый прибор, имеет вид

CR/Vt

di

:гтг:rt--:Гг Г ()

iRo fco clciRi±

irC(R

где С - эквивалентная емкость измерительной цепи;

RP - входное сопротивление то косъемочного элемента;

I - значение обратного тока, задаваемого генератором;

1(3 - значение прямого тока, протекающего через прибор; t 0 - момент переключения тока с прямого направления на обратное;

i - мгновенное значение тока, протекающего через исследуемый прибор;

t - время. Его решение имеет вид НЛ,( f-H.b)H.b: Вид функции (3) приведен на фиг. пунктиром. Результаты расчетов по ф муле (3) (фиг.З) полностью подтверж ют вьшод об отсутствии полочки пр исследовании приборов, действие кот рых основано на модуляции параметро неравновесной проводимости. Способ осуществляется следующим образом. Полупроводниковый прибор 1 включ ют в измерительную цепь (фиг. 1) по следовательно с токосъемным элементом 2. Затем через измерительную цеп пропускают импульс 4 прямого тока в личиной 3f. , длительностью t завершения переходного процесса на интервале t измеряют установившееся прямое сопротивление RQ прибора и со противление измерительной цепи (R + + Rj.). Б момент t О ток через изме рительную цепь переключают с прямого на обратный, т.е. пропускают импульс 5 обратного тока длительностью величиной I. Измеряют интервал време ни от момента подачи до момента смены знака тока через прибор. Затем измеряют максимальное значение обрат ного тока 6 через прибор 1 и рассчитьшают семейство 7 теоретических зависимостей обратного тока через полу проводниковьй прибор после момента t О переключения токов от времени t/ Т, нормированного по величине t времени жизни неосновных носителей заряда, выбирают из этого семейства зависимость, у которой значение максимального обратного тока совпадает с измеренным, и определяют время жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковом приборе из выражения t to/K , время жизни неосновных носителей заряда; tj, - измеренный временной интервал, k - нормированный момент 8 времени, при котором выбранная теоретическая зависимость меняет знак. Пример. Исследуется серийный маломощный кремниевый магнитодиод типа КД301. (Магнитодиоды являются наиболее распространенными в настоящее Ьремя приборами, действие которых основано на модуляции параметров неравновесной проводимости). Через измерительную цепь пропускают импульс прямого тока величиной 5мА. Измеряют значения прямого сопротивления магнитодирда и всей измерительной цепи, которые составляют 2 кОми 4 кОм соответственно. Затем через измерительную цепь пропускают импульс обратного тока величиной 0,5 мА, при этом измеренная длительность временного интервала составляет 5,8 мкс, а амплитуда обратного тока через магнитодиод - 0,34 мА. Результаты проведенных измерений позволяют заменить в выражении (3) 1г)/1 их числовыми коэффициенты b и J-Q/ значениями 10/1 10. Реше(3) при ние трансцедентного уравнения условии ri(t)/l 0,68 дает значение МО ХС, . . . q х9, а при условиях q 9 и i(t;/I О (т.е. в момент изменения полярности тока через исследуемый прибор) определяем tp/r-0,62. Очевидно, что значение коэффициента К 0,62. Так как значение t 5,8 мкс, то искомая величина времени жизни неосновныу носителей заряда составляет t 1,615,8 9,4 мкс. Применение предлагаемого способа Позволяет расширить функциональные возможности и испытывать приборы, действие которых основано на модуляции параметров неравновесной проводимости, позволяет получить новую ин- формацию о них, а следовательно, дает возможность уточнить их физическую модель, оптимизировать параметры, разработать новые приборы указанного направления.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ С P-NПЕРЕХОДАМИ, включающий подключение полупроводникового прибора в измерительную цепь, последовательное пропускание через измерительную цепь импульсов прямого и обратного токов, измерение временного интервала от момента подачи импульса обратного тока и определение времени жизни неосновных носителей заряда, отличающийс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, дополнительно измеряют установившееся значение прямого сопротивления испытуемого прибора и сопротивление измерительной цепи во время действия импульса прямого тока, во время действия импульса обратного тока измеряют максимальное значение обратного тока через испытуемьш прибор, а временный интервал измеряют до момента смены знака тока через испытуемый прибор, по измеренным значениям сопротивлений н известным величинам пропускаемых токов рассчитывают семейство теоретических зависимостей обратного тока через полу- проводниковый прибор после момента переключения токов от времени, нормированного по величине времени жизни неосновных носителей заряда, выбирают из этого семейства зависимость, л у которой значение максимального обратного тока совпадает с измеренным, и определяют время жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковом приборе из выражения -to/ , где и - время жизни неосновных носи;О Ю телей заряда; tj - измеренный временный интервал; 4 К - нормированный момент времеСлО ни, при котором выбранная теО оретическая зависимость меняет знак.