Автоматизированная установка для исследования микроплазменного пробоя в p-n-переходах

Рис. 1. К методу определения параметров глубоких центров по статистической задержке микроплазменного пробоя.

Пусть p–n-переход находится при такой температуре, при которой уровень Ферми в n-базе выше глубокого уровня. Таким образом, все глубокие уровни со стороны n-базы до области пространственного заряда (ОПЗ) (до Ln1) будут заполнены электронами. Изменяя обратное напряжение на p–n-переходе можно изменять область, в которой на глубокие центры будут захвачены электроны (от Ln1 до Ln2). Следовательно, можно точно указать место в p-n-переходе, где будет происходить эмиссия электронов с глубоких центров, что очень важно. Поскольку при исследовании вероятности включения микроплазмы при заполнении глубоких центров в микроплазменном канале необходимо точно знать местоположение области эмиссии носителей, участвующих в запуске лавины, так как коэффициент ударной ионизации зависит от электрического поля. На рисунке 1б приведена временная диаграмма напряжения на исследуемом диоде. Для создания области эмиссии электронов с глубоких центров на p–n-переход в обратном направлении подается прямоугольный импульс напряжения V2 длительностью tн, и измеряется статистическая задержка микроплазменного пробоя tЗ. Параметры импульсов выбираются из следующих предпосылок. Интервал времени tc определяется временем установления стационарного состояния в микроплазменном канале. Длительность ступеньки tн должна быть гораздо меньше времени перераспределения заряда на ГЦ под действием электрического поля в области от –Lp до Ln1.(рис. 1а), и в тоже время, чтобы ГЦ в области от Ln1 до Ln2 заполнились основными носителями заряда (электронами) со стороны n-базы. Реализовать такой режим измерений возможно, т.к. скорость захвата обычно гораздо больше скорости эмиссии носителей заряда с ГЦ. Регулировать степень заполнения глубоких центров можно с помощь ступеньки напряжения tр. Напряжение VB – напряжение пробоя первой микроплазмы. Напряжение V3 – незначительно (на несколько процентов) превышает VB. Напряжение V1 – несколько ниже VB (на 5–10 мВ). Напряжением V2 – регулируется область заполнения ГЦ электронами.

Эмиссия носителей заряда с глубоких центров влияет на статистическую задержку пробоя и может при определенных условиях практически полностью ее определять, даже в тех случаях, когда концентрация ГЦ на много порядков величины меньше значения концентрации легирующих примесей [1]. Если же концентрация ГЦ в микроплазменных каналах сравнима с концентрацией легирующих примесей, то перезарядка ГЦ приводит к релаксационной задержке лавинного пробоя p–n -перехода [2].

Измерение статистической задержки микроплазменного пробоя включает 2 этапа [4].

Первый этап. Измерение вероятности включения микроплазмы без специального заполнения глубоких центров в микроплазменном канале (фоновый запуск лавины). Функция распределения задержки пробоя P M в полулогарифмических координатах представлена на рисунке 2 (кривая 1).

Рис. 2. Функции распределения статистической задержки пробоя по длительности.

Второй этап. Измерение вероятности включения микроплазмы при заполнении глубоких центров в микроплазменном канале. Кривая 2 (см. рис. 2) показывает типичную функцию распределения задержки пробоя при заполнении глубоких центров в полулогарифмических координатах.

Разностная кривая 3, полученная вычитанием кривой 1 из кривой 2, является функцией распределения статистической задержки пробоя микроплазмы, связанной с реэмиссией носителей заряда с глубоких центров. Она содержит всю основную информацию о влиянии глубоких центров на статистическую задержку пробоя p–n- перехода. Анализ функции распределения задержки пробоя микроплазмы по длительности позволяет определить параметры ГЦ: энергию активации, сечение захвата, концентрацию.

Структурная схема установки представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Структурная схема установки для исследования задержки лавинного пробоя в диодах.

Установка автоматизирована на основе микроконтроллера AT90S2313 фирмы ATMEL [5], связывающего ее с персональным компьютером, посредством которого осуществляется управление установкой и обработка результатов измерений.

Генератор ступенчатых импульсов формирует импульсы формы, указанной на рисунке 1б. Он состоит из блока управления на основе микроконтроллера, блока формирования импульсов на полевых транзисторах IRFBE30 фирмы International Rectifier и микросхем-драйверов IR2125 той же фирмы, компаратора напряжения и блока питания. В структурной схеме установки (см. рис. 3) частотомер используется для контроля длительности импульсов tс, tн, tр а также может быть использован для измерения времени задержки микроплазменного пробоя tз, вольтметр – для контроля напряжений V1, V2, V3, VB, осциллограф – для контроля формы импульсов, подаваемых на исследуемый диод. Диапазон измеряемых задержек от 1 мкс до 7 мин при максимальном напряжении лавинного пробоя 350 В. Исследуемый образец размещается в светонепроницаемом криотермостате, позволяющем проводить измерения в диапазоне температур 77–400 К и поддерживать ее с точностью ±0,1 К. Внешний вид установки представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Внешний вид установки.