Способ измерения напряжения пробоя р-п переходов Советский патент 1980 года по МПК G01R31/26 

J

Изобретение относится к области измерений параметров полунроводнйковых приборов и может найти применение в микроэлектронике и полупроводниковой промышленности.

Известны способы определения напряж женин пробоя полупроводниковых диодов, основанные на измерении падения напряжения на .исследуемом р- п -переходе при протекании обратного тока определённой (но произвольно выбираемой оператором) величины 1 и 2 . При этом измерения могут проводить как на посто5шном, так и на переменном токе; при помощи измерительных импульсов, следующих с частотой, зависящей от типа измеряемого параметра; питающее напряжение может измен$1тьря линейно или дискретно.

Общей погрещностью известных способов измерения напряжения пробоя диодов является их низкая точность измерения. Прежде всего это вызвано недостатком самой методики измерения, а именно

тем, что измерения проводят при токах, на несколько порядков превышающих ток насыо1ения исследуемых диодов. Это существенное отклонение от требуемых условий измерений данного периметра.

Такие режимы могут приводить к нежелательным явлениям, таким как переход пробоя во вторичнь й разрущающий пробой. Этому способствует то, что величина тока, при котором фиксируется -падение напряжения на диоде как напрян keHHe пробоя, берется различными иссйедователямЕ в значительной степени произвольно. Последнее приводит к несопоставимости результатов, получаемых различными исследователями и лабораториями.

Известен способ измерения напряжени пробоя р- П -переходов, заключающийся в пропускании обратного тока через исследуемый р- П -переход, регистрации максимума напряжения шумов и камерении падения напряжения на р- П -переходе 31 . При этом, велшшна ппдппия HanpsDKeHHH на p- n -переходе фикс1фуется в тот момент, когда на нем наблюдаются максимальные флуктуации напряжения (шума). С помощью данного способа можно определить диапазон неустойчивого напряжения при вторичном пробое, когда вольтамперная характеристика имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, однако напряжение первичного пробоя при используемых режимах и величине протекаемого через р- n -переход тока определить невозможно. Целью изобретения является возможность регистрации первичного пробоя Достигается это тйм, что обратный . ток изменяют в пределах от О до 5 Зо где Оо ток насьпдения р- n -перехода и регистрируют напряжение первично го пробоя по первому максимуму напряжения частотно-зависимых 11{ - шумов В основу способа положены результаты исследования зависимости низкочастотных флуктуации напряжения (иначе H|f - шумов или фпкккершумов) от тока и напряжения в обратное мешенных р-ппереходах, которые показали, что при токе через р- п -переход примерно в 2,7 раза превышаюшем ток насыщения По когда падение напряжения на переходе практически точно равно напряжению пробоя и, 1 f -шумы обладают первым максимумом, обусловленным процессами лавинного умножения носителей зарядов. Известно, что вольтамперная характе. ристика обратносмещенного р- n -перехода в условиях ударной ионизации описывается выражением D ( (JIJ где IJ-J3 - напряжение пробоя А - константа. Зцэсь ток 11 имеет сложную природу. Он является суммой составляющей Зо , обусловленной термоэлектронной эмиссией в обратносмещенном переходе, и состав. ляющей С3 Зо) , имеющей Iчисто лавинное происхождение. Поскольку вблизи напряжения пробоя составляющая Зо ° стоянная,она не .-л может быть причиной максимума шумов. Поэтому рассмотрим составляющую /3 |. , которая из выраже. кия (1) равна /ъ.).(2) Соотношение (1) представляет собой функциональнуто связь тока и напряжения оэтому, используя вариационное исчислеие, можно записать эи (3) где д -дифференциальное сопротивление образца. Применив к дУ к дЛ Фурье-анализ получаем, что для напряжения и тока на низких ч стотах спектральные плотнсюти флуктуации связаны соотношениемQu().(4) Установлено, что в твердых телах спектральная плотность флуктуации тока пропорциональна квадрату напряжения. Таким образом, справедливо соотношение Gu(f).K f .(5) Здесь уже учтено, что данные шумы обладают типичной .-f| - частотной зависимостыо. С учетом соотношений (1) и (2) можно найти выражение зависимости спектральной плотности флуктуации напряжения от тока в явном виде j, suav-Mfpi ,, (6) Это и есть аналитическое выражение токовой зависимости шумов, обусловленных процессами ударной ионизации. Выражение (6) имеет вид функции У ЕП {х-1)/(х-1), у которой наблюдается четкий максимум. Определим максимум шумов для зависимости (6). Приравняв первую произвольную по току к нулю находим, что максимум шумов наблюдается при токе Vmax - - - o-- 83o, (5 где е - основание натуральных логарифмов. Если теперь учесть составляющую тока DO , то в реальном масштабе токов максимум шумов наблюдается при токе NvaKC V-2, . (gj Таким образом, максимум шумов можно Использовать как ипд,.катор того, что в обратносмешенном р-fi-переходе действительно имеет место ударная ионизация носителей (т.е. развивается лавинный пробой), и что ток лавины равен 1 , 7 DO величину падения напря 5 женияНа р- п -переходе при максимуме шумовможно считать напряжением пробоя. В идеальном случае при напряже-. НИИ пробоя и исходя из выражения (1), должен протекать ток 3 . Однако экспоненциальный рост тока при лавинном пробое позволяет производить отсчет напряжения пробоя при токе, всего вдвое превышающем ток насьпцения. Допускаемая при этом погрешность край не низкая. Если же учесть, что в и; вестных способах напряжение пробоя опр деляется при токе, на 3....5 порядков превышающем DQ то очевидно сущест венное повышение точности измерения параметра и возможность контроля первичного пробоя р- п -перехода. На фиг. 1 показана блок-схема устро ства для осуществления способа измерения напряжения пробоя р-п переходов|гна фиг. 2 представлена токовая зависимость 1 (f -шумов обратно-смешанного кремниевого диода; на фиг. 3 представле зависимость -( |{ - шумов от напр$о{ :ен Блок-схема содержит регулируемый истоник обратного тока 1, ламповый вольтметр 2, нагрузочный резистор 3, измеряемый р- П -переход 4, включенны в обратном направлении, регистратор 5 1/{ -шумов. Ток от источника 1 через нагрузоЧ ный резистор 3 поступает на 1юследуе мый р-п-переход 4. В последнем при этом возникают 1/f -шумы, уровень которых регистрирует регистратор S. Изменяя величину тока в диапазоне О...50о добиваются максимума шумов. При этом нет необходимости знать, како именно значение имеет параметр По- Прос то необходимо увеличить ток от нулевого значения до получения первого максимума шумов. Это всегда будет проходить в указанном выше диапазоне токов. Затем измеряют напряжение пробоя р-П-перехода при помощи лампового вольтметра 2. В начале графика (см, (иг. 2) виден участок резкого росташумов, причем ток, при котором шумы достигают макси 02 мума,крайне низкий (около 0,0-0,1-1 мкЛ). На графике (см. . 3) первая стрелка А отмечает значение напря кения п(х)боя, определенное по максимуму шумов, вто- рая стрелка Б отмечает значение падения напряжения на р- п -переходе при токе 10 мкА. При использовании извест1 ых способов определения напряи№ния пробоя диодов обычно измерения проводят при токах, на 2...3 порядка превышающих указанное значение. Из представленного сопротивления на графике (фиг. 3) наглядно ввдно, какую значительную ошибку в определении напряжения пробоя допускают при использовании известных способов. Основным преимуществом описанного способа является существенное увеличение тo шocти определения параметра. При этом возможна регистрация начального момента пробоя полупроводника т.е. перви шого пробоя. Форму. Л а изобретения Способ измерения напряжения пробоя р- п -переходов, заключающийся в пропускании обратнохх) тока через исследуемый п -переход, регистрации максимума напряження шумов и измерений падения напряи енкя на p-fl-переходе, отличаю к п и с я тем, что, с целью возможности регистрации первичного пробоя, обратный ток изменяют в пределах от О до 5 Jf,, где 0 - ток насышения п -перехода, и регнстр1фуют напряжения первичного пробоя по первому мак- нмумунапр }жения частотно зависимых шумов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское сввдетельство СССР № 307360, кл. Q 01 R 31/26, 1969. 2.Авторское свидетельство СССР № 172374, кл. G 01 R 3/26, 1962. 3.Полупроводниковые диоды,параметры и методы измероний.- М., Советское адио, 1968, с. 86 (прототип).

i

го ткЛ

IS

$(f),MK8/

2Q

j

S

to u,6