WWW.BOOK.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные ресурсы
 

«1 УДК 621.382.22 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВНЫХ АРСЕНИДГАЛЛИЕВЫХ p-n-ПЕРЕХОДОВ В ОБЛАСТИ ЛАВИННОГО ПРОБОЯ Ионычев В.К., Лоскутова Н.Л., Шарамазанов Р. М., Шестеркина А.А. ФГБОУ ВПО «Мордовский ...»

1

УДК 621.382.22

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВНЫХ АРСЕНИДГАЛЛИЕВЫХ

p-n-ПЕРЕХОДОВ В ОБЛАСТИ ЛАВИННОГО ПРОБОЯ

Ионычев В.К., Лоскутова Н.Л., Шарамазанов Р. М., Шестеркина А.А.

ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»,

Российская федерация, г.Саранск

Тел. 8 (8342)29-06-33. E-mail: microelektro@mail.ru

Аннотация. Проведен расчет области ионизации в плавных арсенидгаллиевых p-n-переходах с градиентом концентрации легирующей примеси от 5·1015 до 1·1021 см-4. При расчете использовались эмпирические зависимости коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок, которые в настоящее время считаются наиболее точными и пригодными в широком диапазоне полей. Определена зависимость эффективной области ионизации от напряжения лавинного пробоя.

Ключевые слова: лавинный пробой; p-n-переход; ударная ионизация; область ионизации;

напряжение пробоя; кривые Бараффа; коэффициент ионизации.

Постановка задачи Ударная ионизация и лавинный пробой в p-n-переходах является основой работы многих полупроводниковых приборов – лавинных транзисторов, лавинных фотодиодов, стабилитронов, лавинно-пролетных диодов, и т. п. Создание этих приборов стало возможным лишь после проведения обширных исследований явлений ударной ионизации и лавинного пробоя в полупроводниках.

Ударная ионизация происходит в ограниченной части области объемного заряда, вблизи плоскости с максимальным значением поля – это так называемая область умножения.

Остальная часть области объемного заряда играет роль балластного сопротивления, ограничивающего рост тока при увеличении напряжения в области пробоя. Оно дает основной вклад в дифференциальное сопротивление p-n-перехода в области лавинного пробоя на вольт-амперной характеристике.

Ширина области ионизации непосредственно входит в расчетные формулы для сопротивления области пространственного заряда, и ее определение для p-n-переходов представляет значительный интерес, ее знание представляет интерес и при исследованиях глубоких центров по задержке микроплазменного пробоя p-n-перехода, а также для определения критерия при ограничении области пространственного заряда сильнолегированными областями..

Целью работы является определение области эффективной ионизации в плавных арсенидгаллиевых p-n-переходах в широком диапазоне пробивных напряжений.

Ударная ионизация в полупроводниках Теоретический анализ явления ударной ионизации очень сложен, так как требует знания закономерностей взаимодействия горячих носителей заряда с решеткой кристалла. До сих пор законченной теории ударной ионизации нет. В настоящее время невозможно рассчитать коэффициенты ионизации в конкретных полупроводниках, так как теория содержит экспериментально определяемые и подгоночные параметры.

Большинство исследований ударной ионизации проведено на р-n-переходах. При этом в простой теории предполагается, что в пробивных полях имеет место лишь рассеяние на оптических фононах и ударная ионизация. Рассеянием на акустических фононах пренебрегают, так как относительное изменение энергии носителя при одном столкновении составляет всего лишь несколько процентов [1].

Результаты расчетов выражаются через три характерных параметра полупроводника:

пороговую энергию ионизации Ei, энергию оптического фонона ER и среднюю длину свободного пробега носителей при рассеянии на оптических фононах R. Из этих трех параметров в различных материалах надежно определен лишь ER, а два других (особенно R) являются подгоночными[1]. Для удобства вычислений существует ряд аппроксимаций теоретических кривых коэффициентов ионизации, достаточно хорошо описывающих их температурную и полевую зависимость. Наибольшее распространение получило выражение, приведенное в таблице 1.





–  –  –

Так как теоретические кривые Бараффа правильно описывают зависимости от напряженности электрического поля Е только в умеренном диапазоне полей, а в формулу (5) входят два подгоночных параметра: Еi - пороговая ионизации, R - длина свободного пробега носителей заряда при рассеивание на оптических фононах, то оптимальным их подбором можно добиться наибольшего совпадения в описании по формуле (5) и по формуле:

b 2 E A exp, (6) E которая хорошо описывает для GaAS -p-n- переходов в диапазоне сильных полей (3В/см. В арсениде галлия коэффициенты ударной ионизации для электронов и для дырок одинаковы. На рис. 1 приведены зависимости коэффициентов ионизации от поля при Т=300 К. Как видно, в диапазоне полей от 3*105 до 7*105 В/см наблюдается хорошее соответствие между зависимостями 1 и 2, рассчитанными соответственно по выражениям (5) и (6).

–  –  –

Рис.1. Зависимость коэффициентов ударной ионизации от напряженности электрического поля в арсенидгаллиевом p-n-переходе Как и следовало ожидать, теория коэффициентов ионизации в сильных полях (кривая

2) дает заниженные значения в слабых полях при E 3*105 В/см [4].

Наиболее сильно напряжения пробоя различаются в высоковольтных р-nпереходах, где пробивные поля более низкие. На рис. 2 представлено отношение напряжений пробоя в зависимости от градиента концентрации при использовании двух выражений для коэффициентов ионизации, наиболее распространенного, и соответственно более простого (6), и более точного (5), которое хорошо описывает коэффициент ионизации в широком диапазоне полей, включая диапазон относительно слабых полей (рис. 1).

Рис. 2. Отношение напряжений лавинного пробоя для плавного p-n-перехода от градиента концентрации легирующей примеси Uчисл*- расчет, при использовании для формулы (5);

Uчисл – расчет, при использовании для формулы (6).

–  –  –

В высоковольтных диодах расширение области объемного заряда р-n-перехода с ростом обратного смещения часто ограничивается сильнолегированными р+- или n+-слоями на рис. 3, наличие которых обусловлено двумя причинами.

Во-первых, высоковольтные диоды изготавливаются на основе высокоомных исходных материалов. К таким материалам невозможно подобрать хороший омический контакт без создания сильнолегированного приконтактного слоя с уровнем легирования 1019 см 3 [5].

Во-вторых, сильнолегированные слои создаются специально для ограничения расширения области объемного заряда с ростом обратного смещения, чтобы иметь приемлемую ширину базовой области.

При ограничении расширения области объемного заряда напряжение лавинного пробоя р-n-перехода уменьшается. Объясняется это следующим образом. Коэффициенты ударной ионизации носителей заряда являются резкими функциями напряженности электрического поля. Вследствие этого область объемного заряда р-n-перехода на рис. 3 в можно условно разделить на область ионизации (1) и области пролета (2).

Вся ударная ионизация и умножение носителей заряда происходят в области ионизации, где напряженность электрического поля достаточна для этого.

В области пролета напряженность поля мала для ионизации и умножения носителей заряда. Область ионизации зависит от полупроводникового материала и напряжения

–  –  –

Алгоритм расчета ширины области ионизации и напряжения пробоя плавного p-nперехода имеет ниже приведенный вид:

а) задается градиент концентрации примеси a ;

б) в первом приближении рассчитываются напряжение пробоя плавного p-n-перехода по формуле и ширина области объемного заряда по формуле

–  –  –

ионизации l i.

На рис. 5 представлены результаты аналитического и численного расчета напряжения лавинного пробоя от ширины умеренно легированной области в p+-p-n-n+-структурах.

Градиент концентрации легирующей примеси изменялся от 5 10 до 5 10 21 см 4, что соответствовало напряжению лавинного пробоя плавного p-n-перехода без ограничения расширения области объемного заряда примерно от 15 до 6000 В.

Ширина области ионизации определяется выбранным критерием. Так как резкой границы, отделяющей область ионизации от области пролета не имеется, необходимо определить, при каком различии между U числ и U анал можно считать, что n+-область «вторглась» в область ионизации. Точность расчетов U числ настолько высока, что можно уверенно определить значение l, при котором эта разница составляет 0,1 %.

На рис. 6 представлены зависимости ширины области ионизации от напряжения пробоя для плавных p-n-переходов для критериев 0,1 %, 1 %.

Рис. 5. Зависимость напряжения лавинного пробоя p+-p-n-n+-структуры от ширины умеренно легированной области

–  –  –

Как следует из представленных зависимостей, области ионизации, определенные по этим критериям, заметно различаются. Это свидетельствует о том, что граница между областями ионизации и областями пролета достаточно размыта. Ширина области ионизации для высоковольтных плавных p-n-переходов значительно меньше, чем в низковольтных и изменяется от 0,4LB до 0,65LB в зависимости от градиента концентрации.

На рис. 7 представлены соотношения областей ионизации для резкого и плавного p-nпереходов, рассчитанные с использованием формул (5) и (6) для коэффициентов ионизации.

Как видно из рисунка, и для резких и для плавных переходов во всем диапазоне пробивных напряжений область ионизации, рассчитанная по более точной формуле (5), шире. С ростом напряжения пробоя p-n - перехода это соотношение увеличивается. Формула (5) более правильно описывает коэффициенты ионизации в относительно слабых полях и дает большие по сравнению с формулой (6) их значения. Поэтому, зависимости (рис. 7) ожидаемы. В более низковольтных переходах пробивные поля выше и кривые 1, 2 и 3, 4 сближаются (рис. 6).

Рис. 6. Зависимости ширины области ионизации от напряжения пробоя для плавных p+-p-n-n+ переходов для критериев 0,1%, 1%

- по формуле (6): 2 – критерий 0,1 %, 4 – критерий 1 %;

- по формуле (5): 1 – критерий 0,1 %, 3 – критерий 1 %.

Рис. 7. К сравнению областей ионизации для резкого и плавного p-n-переходов 1 – резкий переход (критерий 0,1 %), 2 – плавный переход (критерий 0,1 %);

Li – расчет при использование по формуле (5);

Li* – расчет при использование по формуле (6).

На рис. 8 приведена кривая соотношения ширины областей ионизации, приведенных к ширине области пространственного заряда при напряжении пробоя в резком и плавном p-nпереходах. Ширина области ионизации, отнесенная к ширине ОПЗ при напряжении пробоя, в резком переходе меньше чем в плавном и с ростом напряжения пробоя эта разница становится более существенной.

Рис. 8. Соотношение областей ионизации резкого и плавного p-n-переходов

–  –  –

Проведен расчет напряжения лавинного пробоя в плавных арсенидгаллиевых p+-p-nn -структурах от ширины умеренно легированных областей. Анализировались переходы с напряжением лавинного пробоя без ограничения области объемного заряда в диапазоне от 15 до 6000 В.

При расчете использовались достаточно простые и широко распространенные эмпирические зависимости коэффициентов ударной ионизации для электронов и дырок (6) и более сложные (5), которые в настоящее время считаются наиболее точными и пригодными в широком диапазоне полей.

Выбран критерий, по которому определяется значение эффективной области ионизации – это ширина умеренно легированной области, при которой значение напряжения лавинного пробоя, рассчитанного с использованием ионизационного интеграла больше на 0,1 и 1 %, значения, даваемого аналитической формулой. Исходя из этого критерия определена зависимость эффективной области ионизации от напряжения пробоя в плавных

p-n переходах. Получено, что ширина области ионизации больше:

а) в низковольтных переходах по сравнению с высоковольтными;

б) при использовании более точного выражения для коэффициентов ионизации и это соотношение увеличивается с ростом напряжения пробоя.

в) в плавных p-n-переходах по сравнению с резкими при одинаковом напряжении лавинного пробоя.

Литература

1. Грехов, И.В. Лавинный пробой p-n-перехода в полупроводниках / Грехов И.В., Сережкин Ю.Н. – Л.: Энергия. Ленингр. отделение, 1980.–152 с.: ил.

2. Crowell, C. R. Temperature dependence of avalanche multiplication in semiconductors / Crowell C. R., Sze S. M. // Appl. Phys. Letters. – 1966. Vol. 9. № 6. P. 242 244.

3. Okyto, Y. Energy-conservations in the characterization of impact ionization in semiconductors / Okyto Y., Crowell C. R. – Phys. Rev. B. – 1972. Vol.6. № 8. – P.3078 3081.

4. Ионычев, В.К. Микроплазменная спектороскопия глубоких уровней в p-n-переходах. – Саранск.: Изд-во Мордов. ун-та, 2005.– 132 с.

5. Сережкин, Ю.Н. Проектирование полупроводниковых низкочастотных выпрямительных диодов: Учеб. пособие. / Сережкин Ю.Н., Ионычев В.К. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2000. – 60 с.

–  –  –

Ionychev V.K., Loskutov N.L., Sharamazanov R.M., Shesterkina A.A.

Abstract. The calculation of the ionization region in smooth GaAS p-n-junction with a gradient of the dopant concentration of 5·1015 to 1021 cm-4. In the calculation used empirical correlations of impact ionization coefficients of electrons and holes, which are currently considered the most accurate and useful in a wide range of fields. The dependence of the effective ionization region of avalanche breakdown voltage.

Keywords: avalanche; p-n-junction; impact ionization; field ionization; the breakdown




Похожие работы:

«События и люди Т. С. Тайманова борис суварин в москве: посвящение в советологию1 Среди тех иностранных наблюдателей, кто оставил потомкам свидетельства о жизни России 1920–30-х гг., бесспорного внимания заслуживает фигура Бориса Суварина (1895–1984). Французский политический деятель, немало времени проведший в Советск...»

«ГОДЪ 1 АГСА 0 ВУТ. ГОДІ. Годовая цна съ пересылкою до­ ставкою 6 р. 26 к. Подписка на время мене года н про­ дажа отддыою же долуА. 3 Его Императорскаго Величества, Самодержца В сероссій­ скаго, изъ Святйшаго Правительствующаго Синода, н...»

«2 КРАТКОЕ ЗНАКОМСТВО С ПЕЖО КРАТКОЕ ЗНАКОМСТВО С ПЕЖО 1 Рычаг включения приборов 14 Сопло обдува стекла двери. освещения и указателей 15 Выключатель для отключения поворота. подушки безопасности переднего пассажира. 2 Рычаг регулировки положения 26 Многофункциональный рулевого колеса. дисплей. 16 Выключатели эл...»

«Глава 3 Ценообразование — забудьте про себестоимость Раз в стране бродят какие-то денежПРИБЫЛЬНЫЙ АВТОСЕРВИС ные знаки, то должны быть люди, у которых их много. Теорема точечного накопления капитала Остапа Бендера Реальная...»

«Антивозрастная лифтинг-сыворотка ® ageLOC ® TRU FACE ESSENCE ULTRA ТРЕНИНГ ПО ПРОДУКЦИИ КОЖА УЖЕ САМА ПО СЕБЕ ЦЕННОСТЬ, А ТАКЖЕ ВИДИМОЕ ВОПЛОЩЕНИЕ ЛИЧНОЙ УНИКАЛЬНОСТИ СРЕДНИЙ ВОЗРАСТ половине ЖИТЕЛЕЙ ЕВРОПЫ европейцев 40+ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ СТАРЕНИЕ: Беззащитность Страх Потеря привлекательности Малозаметность НАС СТАРЯТ НЕ ТОЛЬКО ЦИФРЫ. КОЖА ВНЕШНИЙ В...»

«ІНТЕГРОВАНІ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОМИСЛОВОСТІ _ УДК 664.3 Добрунов Д.Е., Пивень Е.Н., Перевалов Л.И. ЭКСТРАКТ ИЗ БЕЗЛУЗГОВОГО ЯДРА ПОДСОЛНЕЧНИКА – АНТИОКСИДАНТ ДЛЯ КОНДИТЕРСКОГО ЖИРА Продолжительность хранения многих жиросодержащих продуктов зависит, прежде вс...»

«Тема: "КОГДА ЖИЛИ ДИНОЗАВРЫ"Отрывок из Интернет-дискуссии: https://www.facebook.com/mikhail.bragin.1/posts/1099836440132411? comment_id=1101570326625689&ref=notif¬if_t=like¬if_id=1476836912872712 Сергей Бородин Михаил Брагин Ирина Брагина, если вы считаете что ваши гипотезы доказанны и неопровержимые, то мне непонятно задержки с ответами...»

«Классный час на тему: Что такое коррупция и как с ней бороться? Цели: 1. Образовательная: познакомить обучающихся с понятиями "коррупция", "коррумпированность", с формами проявления коррупции, ее последст...»

«Автоматизація технологічних і бізнес-процесів Volume 7, Issue 4 /2015 www.journal-atbp.com АВТОМАТИЧНІ ТА АВТОМАТИЗОВАНІ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ПРОЦЕСАМИ [7] Буряковий цукор технології виробництва / М.І. Бахмат, М.І. Ігна...»








 
2017 www.book.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.