Определение времени жизни носителей в высокоомном кремнии. Влияние времени жизни на параметры высоковольтных приборов на кремнии

Поэтому при сравнении времен жизни на нескольких образцах необходимо следить, чтобы температурные условия измерений были одинаковы.

Кроме того необходимо удостоверится, что в проводимости учавствуют носители, воникшие в результате возбуждения импульсом света. Для этого напряжение смещения Vdc, поданное на измеряемый образец должно удовлетворять требованию:

Vdc £ (106xLcxL)/(500xmxtf) (2.2)

Где :

Lc — растояние от края области засветки образца до области контакта, мм

L - длина образца, мм

tf— измеренное время экспоненциального спада, mS.

m—  - подвижность неосновных носителей, см2/Вxсек

Экспоненциальный спад тока фотопроводимости соответствует времени жизни в случае, если уровень инжекции фототока мал в сравнении с уровнем инжекции тока, протекающего под действием потенциала смещения. Это требование удовлетворено в случае выполнения соотношения:

DV0/Vdc £ 0.01 (2.3)

Если это условие не выполнено, то следует внести поправку в экспоненциальный спад тока фотопроводимости по формуле:

tf = tf измx[ 1- (DV0/Vdc) ] (2.4)

Где:

tf изм - экспоненциальный спад тока фотопроводимости

tf — экспоненциальный спад тока фотопроводимости после внесения поправки

После внесения этой поправки объемное время жизни неосновных носителей вычисляется по формуле :

t0 = (tf-1 — Rs)-1 (2.5)

Где Rs определяется из таблицы 2.3.

Стандартом ASTM F28 — 91 при выполнении вышеперечиленых условий устанавливается погрешность ±50% для измерений на германиевых образцах и ±135% для измерений на кремниевых образцах.

3. Механизмы рекомбинации

По виду передачи энергии рекомбинирующих частиц различают три основных типа рекомбинации.

  1. Рекомбинация называется излучательной, или фотонной, если энергия рекомбинирующих частиц выделяется в виде энергии фотона.
  2. Если энергия частицы передаётся решетке (фононам), то рекомбинация называется безизлучательной, или фононной.
  3. Одним из видов безизлучательной рекомбинации является ударнaя ионизация (процессы Оже), когда энергия рекомбинирующих частиц передается третьей частице, которая благодаря этому становиться «горячей». «Горячая» частица в результате нескольких столкновений передает свою энергию фононам.

Помимо этих трех основных механизмов, энергия рекомбинирующих частиц может передаваться электронному газу (плазменная рекомбинация). Если электрон и дырка образуют в качестве промежуточного состояния экситон, то такая рекомбинация носит название экситонной.

Фотонная, фононная и рекомбинация Оже могут протекать по разному в зависимости от механизма перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону. Если частицы рекомбинируют в результате непосредственной встречи электрона и дырки, то такая рекомбинация называется прямой, или межзонной. Прямая рекомбинация играет роль в полупроводниках с малой шириной запрещенной зоны порядка 0,2 — 0,3 эВ и меньше.

Если ширина запрещенной зоны больше 0,5 эВ, то рекомбинация происходит через локализованные состояния, лежащие в запрещенной зоне. Эти сосстояния обычно называются рекомбинационными ловушками.

Предположим, что в полупроводнике имеются дефекты уровни энергии которых лежат в запрещенной зоне, а уровень энергии Et не занят электроном (дыркой). Возможен целый ряд процессов, схематически изображенных на

а) — нейтральный дефект захватывает свободную дырку

б) — электрон отдается в зону проводимости отрицательно заряженым дефектом, т. о., электрон, некоторое время будет на уровне дефекта, а потом снова станет свободным. Если осуществляет захват свободных электронов с последующим их освобождением дефектом с уровнем энергии Et, то такой метод носит название ловушки захвата электрона;

в) — нейтральный дефект захватывает свободную дырку, т. е. отдает электрон валентной зоне;

г) — если же положительно заряженый дефект захватывает электрон из валентной зоны, то такой дефект — это ловушка захвата дырки;

д) — отрицательно заряженый дефект после захвата электрона из зоны проводимости, захватывает свободную дырку и отдаёт захваченный электрон в валентную зону. Идет рекомбинация электонов и дырок;

е) — положительно заряженый дефект, захватив свободную дырку, захватывает свободный электрон, превращаясь в нейтральный дефект. Также идет рекомбинация свободной пары электрон — дырка.

Огромное влияние на мгновенное время жизни оказывает захват носителей заряда, но онне влияет на стационарное время жизни носителей. Освободиться захваченный заряд носителя может в результате теплового переброса. Иногда это случается в результате подсветки.

4. Выводы

В последнее время в связи с бурным развитием силовой электроники проявляется повышенный интерес к высокоомному кремнию. Высокоомный кремний стал материалом для таких приборов как IGBT, GTO, IGCT, MCT. Поэтому большой практический интерес представляет контроль времени жизни в кремнии, возможность его регулирования в заданных пределах.

Литература:

1. W.L. Engl, R. Laur and K. Dirks, IEEE, CAD-1,85, 1982

2. Technology Modeling Associates. Inc. Palo Alto, California. USA, MEDICI user’s manual. March 1992

3. W. Van Robosbroek, Bell System Technical Journal, 29, 560, 1950

4. W. Shokley and T.W. Read, Physical Review 87, pp. 835−842, 1952; R. N. Hall, Physical Review 87, 387, 1952.