Способ измерения напряжения пробоя р-п переходов

 

Союз Советских

Социалистических

Республик (11) 71 1502 (61) ДополнитеЛьное к авт. свид-ву (22) Заявлено14.07.77 (21) 2509263/18-25 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 25.01.80. Бюллетень J% 3 (5! }М. Кл.

8 01 R 31/26

РкударствепЫ квинтет

СССР ао делзи нзобретеннй и вткрытн9 (53} УДК 621.362 (088.8) Дата опубликования описания 28.01.80

А. Г. Головко (72) Автор изобретения (7l) Заявитель Тбилисский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет (54) СПИ:ОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯ>КЕНИЯ ПРОБОЯ

P- p -HEPEXOQGH

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

Известны способы определения напряже

5 жения пробоя полупроводниковых диодов, основанные на измерении падения напряжения на,исследуемом р- р -переходе при протекании обратного тоха опреде36 ленной (но произвольно выбираемой оператором) величины P) и (21 . При атом измерения могут проводить как на постоянном, так и на переменном токе. при помощи измерительных импульсов, следуюших с частотой, зависяшей от типа измеряемого параметра; питающее напряжение может изменяться линейно или дискретно.

Обшей погрешностью известных способов измерения напряжения пробоя дчодов является их низкая точность измерения. Прежде всего это вызвано недостатком самой методики измерения, а именно тем, ч о измерения проводят при токах, на несколько порядков превышающих ток насыщения исследуемых диодов. Это существенное отклонение от требуемых условий измерений данного парЬметра.

Такие режимы могут приводить к нежелательным явлениям, таким как переход пробоя во вторичный разрушаюший пробой. Зтому способствует то, что величина тока, при котором фиксируется тадение напряжения на диоде как напряжение пробоя, берется различными ис следователями в значительной степени произвольно. Последнее приводит к несопоставимости результатов, получаемых различными исследователями и лабораториями.

Известен способ измерения напряжения пробоя р- П -переходов, заключающийся в пропускании обратного тока через исследуемый р- П -переход, регистрации максимума напряжения шумов и измерении падения напряжения на р- П -переходе $3) . При этом, величина падг.иия

3 71 напряжения на р- П -переходе фиксируется 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- И -переход тока определить невозможно.

Целью изобретения является возможность регистрации первичного пробоя.

Достигается это тем, что обратный, ток изменяют в пределах от О до 5 Эо, где Др — ток насыщения р- и -перехода и регистрируют напряжение первичного пробоя по первому максимуму напряжения частотно-зависимых 1 - шумов.

В основу способа положены результаты исследования зависимости низкочастотных флуктуаций напряжения (иначе

4(— шумов или фликкершумов) от тока и напряжения в обратносмещенных р-п-. переходах, которые показали, что при токе через.р- п -переход примерно в 2,7 раза превышающем ток насыщения (о когда падение напряжения на переходе практически точно равно напряжению пробоя Q 1 j f, -шумы обладают первым максимумом, обусловленным процессами лавинного умножения носителей зарядов.

Известно, что вольтамперная характе . ристика обратносмешенного р- п -Верехода в условиях ударной ионизации описывается выражением з=з е p((u-и,1(д\„(1) где Ug — напряжение пробоя;

А - константа.

Здесь ток J имеет сложную природу.

Он является суммой составляющей 3р, обусловленной термоэлектронной эмиссией в обратносмешенном переходе, и составляющей .) ° = (J Do), имеющей, чисто цг. лавинное происхождение Поскольку вблизи напряжения пробоя составляющая р постоянная, она не может быть причиной максимума шумов. Поэтому рассмотрим составляющую J Г, которая из выражения (1) равна (в — " - ).

Соотношение (1) представляет собой функциональную связь тока и напряжения.

1502 4 поэтому, используя вариационное исчисление, можно записать U= ЬЗ = гй дД;

ЭО

1 где (Д -дифференциальное сопротивле» .ние образца. Применив к Ь(3 и 63 Фурье-анализ получаем, что для напряжения

1о и тока на низких частотах спектральные плотности флуктуации связаны соотношением

Оо(Ю =гй Gj(X) {4)

15 Установлено, что в твердых телах спектральная плотность флуктуаций тока пропорциональна квадрату напряжения.

Таким образом, справедливо соотношение

30 С,(() = — — p gg2

1 (5)

Здесь уже учтено, что данные шумы обладают типичной .1)g «частотной за= висимостью в

25 С учетом соотношений (1) и (2) можно найти выражение зависимости спектральной плотности флуктуаций напря. жения or тока в явном виде

Это и есть аналитическое выражение токовой зависимости шумов, обусловленных процессами ударной ионизации.

Выражение (6) имеет вид функции у= fq (х-1)/(х-1), у которой наблюдается четкий максимум.

Определим максимум шумов для за40 висимости (6). Приравняв первую произвольную по току к нулю находим, что максимум шумов наблюдается при токе

,, „„с,„=(е-4) 3,=1,7 В Э,, (-,) где е - основание натуральных логарифмов.

Если теперь учесть составляющую тока i3o, то в реальном масштабе токов максимум шумов наблюдается при токе

50 оке о ""в о - (g)

Таким образом, максимум шумов можГ но использовать как и((д.;катор того, что в обратносмешенном р- g-переходе действительно имеет место ударная ионизация носителей (т.е. развивается лавинный пробой), и что ток лавины равен 1, 7 Qo, а величину падения напря11502 жения на р- 0 -переходе при максимуме шумов можно считать напряжением пробоя. В идеальном случае при напряжении пробоя 0, исходя из выражения (1) должен протекать ток 3о . Однако экспоненциальный рост тока при лавинном пробое позволяет производить отсчет напряжения пробоя при токе, всего вдвое превышающем ток насьпцения.

Допускаемая при этом погрешность край- 10 не низкая. Если же учесть, что в иэвестных способах напряжение пробоя определяется при токе, на 3....5 порядков превышаюшем Зр, то очевидно сушественное повышение точности измерения параметра и возможность контроля первичного пробоя р- и -перехода.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства для осуществления способа измерения напряжения пробоя p- q --переходов;,на фиг. 2 представлена токовая зависимость 1 -шумов обратно-смещенного кремниевого диода; на фиг. 3 представлена зависимость » шумов от напряжения.

Блок-схема содержит регулируемый

HcTo zHHK обратного TOKE 1, ламповый вольтметр 2, нагрузочный резистор 3, измеряемый р- д -переход 4, включенный в обратном направлении, регистратор 5

Способ измерения напряжения пробоя p- и -переходов, заключающийся в пропускании обратного тока через исследуемый

30 р- и -переход, регистрации максимума напряжения шумов и измерений падения

1 напряжения на р-zz,— переходе, о т л ич а ю г и и с я тем, что, с целью возможности регистрации первичного пробоя, 35 обратный ток изменяют в пределах от

0 до 5 д, где Ло — ток насышения р- zz -перехода, и регистрируют напряже ния первичного пробоя по первому макдо симумунапряжения частотно зависимых шумов. Источники информации, принятые Во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 307360, кл. Cz 01 Я 31/26, 1969, 2. Авторское свидетельство СССР № 172374, кл. G 01 В 3/26, 1962.

3. Полупроводниковые диоды, парамет,о ры и методы измерений. — М., "Советское радио "р 1 968р св 86 (прототип) .

1/$ -шумов.

Ток от источника 1 через нагрузочный резистор 3 поступает на исследуе мый р-zz-переход 4, В последнем при этом возникают 1/$ -шумы, уровень которых регистрирует регистратор 5.

Изменяя величину тока в диапазоне

О.. 53о добиваются максимума шумов.

При этом нет необходимости знать, какое именно значение имеет параметр 3о. 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-р-перехода при помоши лампового вольтметра 2.

В начале графика (см. фиг. 2) виден участок резкого роста шумов, причем ток, при котором шумы достигают макси6мума, крайне низкий (около 0,0-0,1 (мкЛ), На графике (см. фиг. 3) первая стрелка

А отмечает значение напряжения пробоя, определенное по максимуму шумов, вторая стрелка Б отмечает значение падения напряжения на р- и -переходе при тбке

10 мкЛ. При использовании известных способов определения напряжения пробоя диодов обычно измерения проводят при токах, на 2...3 порядка превышаюших указанное значение. Из представленного сопротивления на графике (фиг. 3) на« глядно видно, какую значительную ошибку в определении напряжения пробоя допускают при использовании известных способов.

Основным преимушеством описанного способа является существенное увеличение точности определения параметра. При этом возможна регистрация начального момента пробоя полупроводника, т.е. первичного пробоя.

Формула изобретения

711502

1 3 Ф

Составитель Т. Дозоров

Редактор Е. Гончар Техред 3. Фанта Корректор П, Сте

Заказ 9004/33 Тираж 1019 Подлисиое

11НИИПИ. Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППГ1 Патент", г. Ужгород, ул. !1рос ктп: я,