Способ определения однородности лавинного пробоя диодов с положительным температурным коэффициентом напряжения

 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых приборов с лавинным пробоем, в частности для ограничительных диодов. Цель изобретения - устранение разрушения прибора в процессе измерений за счет обеспечения неразрушающего контроля однородности лавинного пробоя диодов и возможности диагностики диодов, лавинный пробой которых имеет однородный характер, а не совокупность невзаимодействующих микроплазм. Способ заключается в пропускании через диод последовательно двух одиночных прямоугольных импульсов обратного тока с разными амплитудами со средней плотностью тока в импульсе не меннее 20 A/см² и длительностью импульсов в диапазоне (2·10^-5-10^-4)c. В конце каждого импульса измеряют напряжение на диоде. Определяют дифференциальное сопротивление диода и сравнивают его с рассчитанным дифференциальным сопротивлением единицы площади диода для случая протекания лавинного тока однородно по всей площади p-n-перехода.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых приборов с лавинным пробоем, а именно для определения степени однородности лавинного пробоя силовых диодов с положительным температурным коэффициентом напряжения, в том числе ограничительных диодов. Цель изобретения - устранение разрушения прибора в процессе измерений контроля однородности лавинного пробоя диодов и возможности диагностики диодов, лавинный пробой которых имеет однородный характер, а не совокупность невзаимодействующих микроплазм. Способ заключается в том, что через диод пропускают последовательно два одиночных прямоугольных импульса обратного тока с разными амплитудами, со средней плотностью тока в каждом импульсе не менее 20 А/см² и длительностью r_и в пределах 2˙ 10^-5 с ≅r_и ≅10^-4 с. В конце каждого импульса измеряют напряжение на диоде и по ним определяют дифференциальное сопротивление диода R_д. Полученную величину R_дсравнивают с расчетной величиной дифференциального сопротивления r_дединицы площади диода, полученной из нормировочной зависимости дифференциального сопротивления диода от пробивного напряжения U_в, рассчитанной для случая однородного пробоя р-n-перехода. Степень однородности лавинного пробоя определяют по величине отношения , где S - площадь p-n-перехода диода. Использование прямоугольной формы импульсов обратного тока вызвано тем, что при прямоугольной форме импульсов тока вследствие роста температуры диода, величина напряжения на диоде растет монотонно и может быть рассчитана теоретически. Проведение измерения в конце импульсов тока вызвано тем, что темпера диода и величина напряжения на диоде в конце импульса максимальны и могут быть измерены с наибольшей точностью. Использование одиночныфх импульсов обусловлено тем, что в течение импульса область p-n-перехода нагревается и необходим некоторый интервал времени для остывания области p-n-перехода до исходной температуры. Установление нижнего предела длительностей импульсов обратного тока вызвано тем, что дифференциальное сопротивление диода в области лавинного пробоя R_д состоит из термической R_t и изотермической R_iсоставляющих R_д= R_t + R_i, причем обе составляющие обратно пропорциональны площади, через которую течет ток лавинного пробоя. Величина R_t расчет с ростом пробивного напряжения U_в и с ростом длительности импульса тока τ_и . Величина R_i не зависит от τ_и , но зависит от многих конструктивных параметров: от толщины базы диода, от величины удельного сопротивления исходного материала, от распределения примесей в p-n-переходе и т. д. Вследствие зависимости величины R_i от многих параметров, которые точно не известны, эту величину легко оценить, но трудно рассчитать достаточно точно. В то же время при выбранной длительности импульса величина R_t зависит только от двух параметров: от площади, по которой течет ток лавинного пробоя и от величины U_в. Вследствие этого для повышения точности интерпретации экспериментальных данных следует выбрать режим измерений, в котором R_д≈ R_t ≥ R_i, что соответствует экспериментально найденной длительности обратного тока τ_и ≥ 2 · 10^-5 с. Необходимость выбора верхнего предела величины τ_и ≅ 10^-4 с обусловлена тем, что при τ_и > 10^-4 с часть тепла, выделившегося в области p-n-перехода в течение импульса, передается в теплоотвод. Постоянная времени распространения тепла оценивается как , где w - толщина базовой области диода, κ - коэффициент температуропроводности (например, κ _Si= 0,75 см²/с). Толщина базы диода не менее 100. . . 150 мкм, величина Х_i < 120 мкм. Следовательно, при τ_и < 10^-4 с характеристика теплового контакта кремний-металл еще не влияет на распределение температуры в кремниевом диоде. Поскольку величина κ для арсенида галлия и карбида кремния меньше, чем для кремния, то для них это условие при τ_и≅ 10^-4 с заведомо выполняется. Выбор плотности обратного тока по величине не менее 20 А/см²связан с тем, что при такой плотности тока участок обратной ВАХ линеен и дифференциальное сопротивление R_д постоянно. Величина r_д рассчитана для единицы площади диода, у которого лавинный ток протекает однородно по всей площади p-n-перехода. Нормировочная зависимость дифференциального сопротивления единицы площади диода r_д от пробивного напряжения U_в для разных τ_и показана на чертеже. Величина r_д получена из формулы r_д≃ R_t= ≃ , (1) где S = 1 см², Δ Т_макс - максимальное изменение температуры в структуре при протекании лавинного тока Δ I (A), ^оС; β - температурный коэффициент напряжения (ТКН) пробоя, ^оС-¹; U_во - напряжение пробоя неразогретого p-n-перехода, В. Изменение температуры Δ Т вследствие перегрева структуры при лавинном пробое обратносмещенного p-n-перехода найдено из модели распространения тепла в изотропном и однородном кремниевом диоде путем решения уравнения теплопроводности для одномерного случая. О степени однородности лавинного пробоя судят по величине отношения , где S - площадь p-n-перехода диода. В качестве примера приводится конкретная реализация способа при определении однородности лавинного пробоя кремниевого диода с глубиной залегания p-n-перехода 120 мкм и толщиной базовой области 120 мкм, с площадью p-n-перехода S = 0,6 см² и пробивным напряжениям U_в = 49,5 В. Через диод, включенный в запертом направлении, пропускались одиночные прямоугольные импульсы обратного тока длительностью τ_и = 60 мкс, что лежит в пределах 2·10^-5 ≅ τ_и ≅ 10^-4 с. Источником прямоугольных импульсов служил разряд длинной линии на согласованную нагрузку. Амплитуда и форма импульса тока измерялись осциллографом С1-70 с дифференциальным входом, напряжение на диоде в конце импульса тока измерялось импульсным вольтметром В4-17, погрешность которого в диапазоне интересующих нас длительностей импульсов составляет около 1,5% . При токе I₁ = 20 А (плотности тока 33 А/см²) напряжение на диоде в конце импульса составляло U₁ = 49,9 В, при I₂ = 40 А величина U₂ = 50,3 В. Следовательно, величина R_д= = 0,02 Ом . Из нормировочной зависимости, приведенной для τ_и = 60 мкс при U_в = 49,5 В, находим расчетную величину дифференциального сопротивления r_д = 0,0078 Ом ˙ см². Степень однородности составляет = = 0,65 , т. е. лавинный ток протекает по площади, составляющей 65% от площади p-n-перехода. Для проведения указанных измерений не требуется удалять металлизацию диода, измерения могут быть проведены как на диодных сборках, так и на диодах, заключенных в корпус. После проведенных измерений электрические характеристики диодов не изменяются. Следовательно, предложенный способ обеспечивает определение однородности лавинного пробоя p-n-перехода без разрушения диода. (56) Goetzberger F. , Mc Donald B. , Haitz R. H. and ath. Avalanche effects in silicon p-n junctions. - J. of. Appl. Ph. , 1963, v. 34, N 6, р. 1591-1600.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОДНОРОДНОСТИ ЛАВИННОГО ПРОБОЯ ДИОДОВ С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ ТЕМПЕРАТУРНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ НАПРЯЖЕНИЯ, включающий пропускание через диод импульсов обратного тока, отличающийся тем, что, с целью устранения разрушения прибора в процессе измерений, на диод подают последовательно два одиночных прямоугольных импульса обратного тока равной длительности с различными амплитудами со средней плотностью тока в импульсе не менее 20 А/см², измеряют напряжения на диоде в конце каждого импульса тока, определяют по ним дифференциальное сопротивление диода, при этом длительность импульсов обратного тока выбирают в пределах 2˙10^-6c ≅ τ_и ≅ 10^-4c , а степень однородности лавинного пробоя определяют по формуле δ= где V_д - дифференциальное сопротивление единицы площади диода, полученное из нормировочной зависимости V_д от напряжения пробоя диода, рассчитанной для случая протекания лавинного тока однородно по всей площада p-n-перехода; R_д - дифференциальное сопротивление диода, полученное экспериментально; S - площадь p-n-перехода диода.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---