Способ определения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых приборах с @ - @ переходами

 

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 полупроводниковый 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХ

PEGflYSflHH

З у) G 01 R 31/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ где ь—

1 о

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3513269/18-21 (22) 19.11.82 (46) 15.05.84. Бюл. У 18 (72) И.А. Карапатницкий, В.В. Бунегин и С.В. Коротков (71) Институт физики высоких энергий

АН Казахской ССР (53) 621.382.3(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 347699, кл. G 01 R 31/26, 1971, 2. Тхорик Ю.А. Переходные процессы в импульсных полупроводниковых ди-. одах. Киев, "Техника", 1966, с. 106109. (54) (57) 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, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, дополнительно измеряют установившееся значение прямого сопротивления испытуемого при„SU„„1092436 А бора и сопротивление измерительной цепи во время действия импульса прямого 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 выражения время жизни неосновных носителей заряда; измеренный временный интервал; нормированный момент времени, при котором выбранная теоретическая зависимость меняет знак.

1092ч36

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании, разработке и контроле полупроводниковых приборов, действие которых основано на модуляции параметров неравновесной проводимости, например магнитодиоцов.

Известен способ измерения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых приборах с р-ипереходами, включающий измерение зависимости полной эквивалентной емкости С о-и-перехода от тока прямого

9 смещения Г 13.

Измерения по указанному способу дают удовлетворительные результаты в том случае, когда базовая область прибора выполнена из сравнительного низкоомного полупровоцника отношение геометрической длины базовой области (d) к длине диффузионного смещения свободных носителей заряда (L) составляет 1-2, модуль емкостного сопротивления р-и-перехода 25

1 много меньше его активной состав4иС> ляющей. Полупроводниковые приборы, действие которых основано на модуляции параметров неравновесной проводимости, изготавливаются на основе полупроводников с высоким удельным сопротивлением (близким к собственному), отношение d/L у подобных приборов значительно превышает единицу

35, вЂ,), 3-5, Поэтому измерить с требуемой точностью эквивалентную емкость р-иперехода таких приборов оказывается практически невозможно. Из-за большой

40 величины сопротивления базовой области прибора приходится выбирать столь низкую частоту измерительного сигнала, что реактивная составляющая сопротивления р-п-перехода становится соизм, имой с его активной составляф5 ющей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения времени жизни неос- новных носителей заряда в полупроводниковых приборах с р-п-переходами, включающий подключение полупроводникового прибора в измерительную цепь, последовательное пропускание через

55 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 3.

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 "длинd ную"базу т.е. — ), 3-5, и иэгбтавлиL ваются 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-п-,переход остается 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 рекомбинации 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 цеl пи во время действия импульса прямогде 7 — время жизни неосновных носителей заряда, — измеренный временный интер- 25

Вал, — нормированный момент времени, при котором выбранная теоретическая зависимость меняет знак.

На фиг. 1 показана эквивалентная схема измерительной цепи; на фиг.2временные 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) 40 параллельно цепи, включающей в себя исследуемый прибор 1.и последовательно включенное с ним входное сопротивление токосъемного элемента 2, всегда подключена емкость 3, обусловлен- 45 ная 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 50 переходных процессов в полупроводниковых приборах, у которых сопротивление базовой области сравнительно мало. Положение изменяется коренным образом при исследовании полупровод- 55 никовых приборов, действие которых основано на модуляции параметров неравновесной проводимости толщи

3 10924

ro 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 полу- 10 проводниковый прибор после момента переключения токов от времени, норми рованного по величине времени жизни еосновных носителей заряда, выбират из этого семейства зависимость, 15 которой значение максимального обратного тока совпадает с измеренным, и определяют время жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковом приборе из выражения 20

36 4 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 Прибору, 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-эа рекомбинации носителей заряда. При этом р-и-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 = К„ехр, (1) где к — установившееся сопротивлео ние базы при прямом токе; ь — 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 соответствии изменения сопротивления базы во времени формуле (1).

Дифференциальное уравнение, описывающее ток через полупроводниковый прибор, имеет вид

,»

CR В +

Ic(R < "Rz) с, "+,) .где С вЂ” эквивалентная емкость измерительной цепи;

R — входное сопротивление токосъемочного элемента; — значение обратного тока, задаваемого генератором;

I0 — значение прямого тока, протекающего через прибор;

t = 0 — момент переключения тока с прямого направления на обратное; — мгновенное значение тока, протекающего через исследуемый прибор; — время.

1092436

Его решение имеет вид (Ц» (ехр +t,)

t ai

3 (fk 4) + (Q x ехр с

5 ехр, +t > 4 (-1,)

t(7 %-1 К

1+ Ь

+-. К К (9) дахр "+Ь) (<+g)

"" Pl K- - ) "

Вид функции (3) приведен на фиг,2 пунктиром. Результаты расчетов по фор-1 муле (3) (фиг.3) полностью подтверждают вывод об отсутствии "полочки" при исследовании приборов, действие которых основано на модуляции параметров неравновесной проводимости. 20

Способ осуществляется следующим образом.

Полупроводниковый прибор 1 включают в измерительную цепь (фиг. 1) последовательно с токосъемным элеменroM 2. Затем через измерительную цепь пропускают импульс 4 прямого тока величиной 3, длительностью t . После йр завершения переходного процесса на интервале 1 измеряют установившееся 30 прямое сопротивление R прибора и сопротивление измерительной цепи (Rо +

+ R ). В момент t = 0 ток через измерительную цепь переключают с прямого на обратный, т.е. пропускают импульс

5 обратного тока длительностью и 6

0 величиной I. Измеряют интервал времени от момента подачи до момента смены знака тока через прибор. Затем измеряют максимальное значение обрат- 40 ного Фока 6 через прибор 1 и рассчитывают семейство 7 теоретических зависимостей обратного тока через полупроводниковый прибор после момента

t 0 переключения токов от времени 4

t/ - нормированного по величине ь времени жизни неосновных носителей заряда, выбирают из этого семейства зависимость, у которой значение мак-. симального обратного тока совпадает с измеренным, и определяют время жизни неосновньгх носителей заряда в полупроводниковом приборе из выражения

7= t /К

О где — время жизни неосновных носителей заряда, 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 время приборами, действие которых основано на модуляции параметров неравновесной проводимости).

Через измерительную цепь пропускают импульс прямого тока величиной 5 мА.

Измеряют значения прямого сопротивления магнитодиода и всей измерительной цепи, которые составляют 2 кОм и 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) коэффициенты Ь и Ia/Å их числовыми значениями Ь = 1; Ео/Е = 10. Решение трансцедентного уравнения (3) при условии (i(t)/I) =0,68 дает значение

q 9, а при условйях q = 9 и i(t)/I

= 0 (т.е. в момент изменения полярности тока через исследуемый прибор) определяем и /

Применение предлагаемого способа позволяет расширить функциональные возможности и испытывать приборы, действие которых основано на модуляции параметров неравновесной проводимости, позволяет получить новую информацию о них, а следовательно, дает возможность уточнить их физическую модель, оптимизировать параметры, разработать новые приборы указанного направления.

1092436

Заказ 3249/29

Под

Филиал IIIIII "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4