Планарный p-n переход с неравномерно легированной базой

В ряде случаев, например эмиттер биполярного транзистора, p-n переход формируется двумя последовательными диффузиями. Распределение примесей в этом случае отображено на рисунке 5.76. В связи с тем, что концентрация примесей в базе на поверхности значительно выше, чем в плоской части (N_BS >> N_BE), толщина ОПЗ на поверхности δ_s будет меньше толщины ОПЗ δ_V в плоской части

; .

С ледовательно, напряжённость поля на поверхности будет выше, чем в объеме, и напряжение пробоя будет определяться поверхностной концентрацией. .

Р

Рисунок 5.77 - Форма ОПЗ планарного p-n перехода, сформированного двумя последовательными диффузиями примесей

исунок 5.76 - Распределение примесей в p-n переходе, сформированном двумя последовательными диффузиями примесей

Поверхностный пробой

При наличии адсорбированного заряда, или заряда быстрых состояний, не совпадающим по знаку с зарядом основных носителей слаболегированной базы p-n перехода, на поверхности базы образуется обогащённый слой (рисунок 5.78, а), который уменьшает толщину ОПЗ, а следовательно, увеличивает напряжённость поля в месте выхода p-n перехода на поверхность (рисунок 5.78, б). Более высокое значение напряжённости поля на поверхности приводит к тому, что процесс лавинного размножения и увеличение обратного тока будут происходить на поверхности при меньшем напряжении пробоя, который носит название – поверхностный пробой. Более сильное влияние поверхностный заряд оказывает на слаболегированную (высокоомную) базу, а, следовательно, на высоковольтные p-n переходы (рисунок 5.79). В первом приближении напряжение поверхностного пробоя может быть оценено из условия достижения максимальной напряжённости на поверхности значения критической напряжённости поля

, (5.127)

где

Величина поверхностного потенциала Y зависит от плотности поверхностного заряда и уровня легирования базы.

а) б)

Р

Рисунок 5.79 - Влияние поверхностного заряда на напряжение пробоя p-n перехода

исунок 5.78 – Уменьшение толщины ОПЗ на поверхности p-n перехода (а), и энергетическая диаграмма (б) поверхности базы при аккумуляции основных носителей заряда

Для подавления поверхностного пробоя используют как оптимизацию геометрии p-n перехода, так и технологические методы, обеспечивающие минимизацию и стабилизацию поверхностного заряда.

Влияние структурных несовершенств, микроплазменный пробой

На начальном участке лавинного пробоя появляются импульсы тока квазипостоянной амплитуды с различной длительностью и скважностью, называемые шумами в предпробойной области. Практически весь ток на начальном участке лавинного пробоя переносится этими импульсами, которые обусловлены локальным лавинным пробоем p-n перехода. Область локализации тока в обратносмещённом p-n переходе принято называть микроплазмой, процесс пробоя – микроплазменным пробоем. Микроплазменный пробой возникает преимущественно на структурных дефектах: дислокациях, преципитатах инородных атомов и их соединений, концентрационной флуктуации легирующей примеси и других, приводящих к увеличению локальной напряжённости поля в ОПЗ p-n перехода.

Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения. Увеличение амплитуды сопровождается увеличением длительности импульсов и уменьшением скважности. При дальнейшем увеличении напряжения импульсы сливаются друг с другом, ток становится непрерывным и устанавливается стабильный режим протекания тока через микроплазму. Увеличение относительно этого режима обратного напряжения вновь выделяет импульсные токи большей амплитуды, наложенные на постоянный ток первой микроплазмы. Появление совокупности микроплазменных импульсов при увеличении напряжения свидетельствует о поочерёдном включении микроплазм, т.е. при увеличении напряжения первой включается самая низковольтная микроплазма, второй – более высоковольтная и т.д. Доказательством того, что происходит локальный пробой p-n перехода, является эмиссия видимого света отдельных точек, расположенных на поверхности p-n переходов (X_j < 1 мкм). Каждую микроплазму можно представить как локальный участок p-n перехода вблизи несовершенств с последовательным сопротивлением растекания токового шнура (диаметр десятки микрометров). Причиной выключения микроплазм является статистическая флуктуация числа носителей заряда (для низковольтных микроплазм) и перераспределение потенциала между локальным p-n переходом и сопротивлением растекания при нагреве (возрастает из-за уменьшения подвижности), а также выключение ударной ионизации при перегреве локального p-n перехода. После остывания микроплазма вновь включается. С ростом тока (напряжения) вероятность выключения микроплазм экспоненциально уменьшается. При некотором токе вся площадь перехода включается в процесс лавинного размножения и протекает постоянный ток.

В качестве структурных дефектов могут выступать диэлектрические и металлические преципитаты. Например, для кремния, выращенного методом Чохральского, характерна большая концентрация кислорода ~ 10¹⁸ См^–3. При высокотемпературных обработках образуются преципитаты SiO_x макроскопических размеров (единицы микрометров). В связи с меньшей диэлектрической проницаемостью силовые линии поля будут стягиваться в области этих преципитат (ε_Si ≈ 12), а следовательно, локальная напряженность поля увеличивается (рисунок 5.80, а). В случае металлических преципитат быстродиффундирующих примесей (золото, серебро, железо, медь), образующихся преимущественно в области дислокации, поле в локальных областях «выталкивается», приводя к увеличению напряжённости поля (рисунок 5.80, б). В эпитаксиальном кремнии это могут быть преципитаты углерода (тетрахлоридный процесс). У высоковольтных (высокоомная база) p-n переходов локальная высокая напряжённость поля может быть следствием флуктуации легирующей примеси (рисунок 5.80, в).

а) б) в)

Рисунок 5.80 - Увеличение локальной напряжённости поля вследствие диэлектри-

ческого преципитата (а), металлического (б), флуктуации легирующей примеси (в)