Научный журнал

Современные наукоемкие технологии

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

• Авторы
• Резюме
• Файлы

Юшина Л.Д. Краев В.В. Салихов И.А.

Осуществив пролонгированную термообработку диодов серии КД 522 в жестких условиях [при температуре 230оС и обратном напряжении 15 V], удалось достичь не только стабилизации его выходных характеристик, но и расширить диапазон рабочих температур. Объяснение причин наблюдаемого эффекта было проведено с учетом свойств пленочных структур p-n-перехода, присутствующего в диоде. Исследования диодов КД 522А, КД 509А и транзисторов КТ 203А и МП-42 показали наличие аналогичного эффекта при специальной термообработке элементов в жестких условиях.

Статья в формате PDF

130 KB

Обычно, верхний температурный предел применения таких датчиков ограничивают паспортными характеристиками. В случае их функционирования при более высоких температурах или температурах, граничных с паспортными значениями, - наблюдается нестабильность выходных параметров устройства во времени.

Нами были предприняты исследования по разработке метода стабилизации вольт-амперных характеристик и расширению температурного диапазона использования некоторых полупроводниковых элементов.

В качестве модельных объектов этого цикла НИР были взяты кремниевые диоды серии КД 522.

Методика эксперимента и результаты

Приборы типа КД-522 - это эпитаксиально-планарные диоды, принцип действия которых основан на использовании свойств проводимости в пленочных структурах p-n-перехода.

В этих приборах базу изготавливают путем наращивания на подложке из низкоомного кремния - тонкого слоя высокоомного полупроводника, повторяющего структуру подложки. Этот эпитаксиальный слой покрывают плотной защитной пленкой диоксида кремния SiO₂ толщиной до 1 мкм. В пленке протравливают окно, через которое путем диффузии бора (или алюминия) создают p-n переход, выход которого на поверхность защищен пленкой диоксида кремния. В КД 522 бор (или алюминий), дифференцирующий в кремний является акцепторной примесью [3].

Ранее нами было показано [4], что кремневые диоды серий КД 522 при температурах (t=200^оС и обратном напряжении U_обр=10 В), превышающих паспортные значения (t_{max пасп}<150^оС) - выявили нестабильность выходных параметров во времени: вольт-амперные характеристики диодов «плывут». А при повышении температуры до t=200^оС и U_обр=30 В - происходит пробой.

В результате проведенной специальной термической обработки данных полупроводниковых элементов в жестких условиях (при обратном напряжении U_обр=15 В > U_раб и t_отж^оС ≥ t_{max пасп}^оС), была достигнута стабилизация их использования при рабочей температуре до 200^оС, значительно превышающей паспортное значение (t_раб < 150^оС).

Испытания показали, что при соблюдении условий t_{max пасп}^оС < t_раб^оС < t_отж^оС и U_{обр раб} < U_{обр отж} , - диоды, подвергнутые пролонгированному термоотжигу при температуре 230^оС - функционировали без пробоя.

При проведении термоотжига диоды помещались внутрь резистора (типа ПЭВ-10), являющегося нагревательным элементов. Исследования проводились после установления теплового режима. Точность поддержания температуры составляла ± 0,2^оС. Оптимальный режим отжига и его длительность были подобраны экспериментально. Охлаждение после отжига проводилось со средней скоростью 40^оС/час.

Обсуждение результатов

Фиксируемый эффект стабилизации характеристик объясняется, вероятнее всего, двумя причинами. Во-первых, в диодах серии КД 522, как указывалось выше, присутствуют пленочные слои полупроводника. А в пленках, как известно [5], изначально может наблюдаться нестабильность основных параметров, обусловленная наличием в их структуре вакансий и дефектов. Можно полагать, что энергия, подводимая при отжиге, обеспечивает диффузию и взаимодействие дефектов. А это приводит к их частичному или полному исчезновению и установлению устойчивого состояния. Согласно [5] энергия, необходимая для перемещения дефектов, очень незначительна. Она может изменяться от нуля до энергии активации, необходимой для самодиффузии.

Наряду с этим, в процессе длительного отжига происходит частично необратимый переход как основных, так и неосновных носителей полупроводника на более высокие энергетические уровни. Точнее имеет место перераспределение основных и неосновных носителей заряда в p- и n-областях, и в самом переходе (искривление зон энергии). Энергия дырок в области основных носителей (p_n) сдвигается в сторону валентной зоны, а у электронов в p-области (n_p) происходит сдвиг в зону проводимости [3, 6]. Причем, для перевода электронов с донорных уровней в зону проводимости необходима малая энергия ΔЕ_с, которая для кремния составляет ΔЕ_с=0,054 еV [2, 3, 6]. А свободные примесные энергетические уровни (акцепторные) располагаются несколько выше верхнего края валентной зоны основного кристалла, на расстоянии ΔЕ_h. Для кремния ΔЕ_h=0,06 еV [3, 6]. Иными словами, термоотжиг, вероятнее всего, способствует сдвигу энергии дна зоны проводимости Е_с и вершины валентной зоны Е_v. В результате указанных выше изменений в состояниях энергетических зон полупроводника, высота потенциального барьера (ширина запрещенной зоны) уменьшается. В итоге, после отжига при дальнейшей эксплуатации диодов в более мягких условиях [Т_отж^оС > Т_раб^оС > Т_{max пасп}^оС, U_раб < U_отж] возвращения к первоначальному (доотжиговому) состоянию не происходит, поскольку высота потенциального барьера p-n-перехода в начальном дообжиговом состоянии значительно превышает потенциальный барьер, достигнутый в процессе термообработки. А это в конечном итоге позволяет использовать диоды в более широком температурном интервале.

Как показали НИР, в результате отжига произошло некоторое увеличение обратного тока (I_обр) исследуемых полупроводниковых элементов. Одной из причин роста (I_обр) диода может являться термическая генерация носителей заряда в самом переходе (генерация электронно-дырочных пар), приводящая к появлению теплового тока I_т.

Согласно [3, 6] для несимметричной p-n-структуры (n_p<<p_n).

                                       (1)

Здесь S - площадь поперечного сечения p-n-перехода, L_p - диффузионная длина дырок в n-области перехода; D_p - коэффициент диффузии дырок примесного полупроводника; p_n - концентрация дырок в n-области перехода; n_p - концентрация электронов в p-области перехода.

В ходе предпринятой обработки диодов с повышением обратного напряжения (до 15 В при отжиге), вследствие расширения перехода - увеличилась его толщина (δ) и объем [4]:

                                            (2)

Здесь φ_к - контактная разность потенциалов, ε - диэлектрическая проницаемость; (φ_к+U) - общее напряжение на переходе; N_a и N_g - концентрация доноров и акцепторов в переходе, соответственно.

И, как следствие, - число термически генерированных в переходе носителей заряда и тепловой ток перехода (I_т) - возросли. Этот эффект особенно заметен в кремневых диодах, которым свойственен малый ток экстракции (I_o). Для них I_т>I_o [6].

Как известно [3], наиболее сильное влияние температура оказывает на ток экстракции (I_o) электронно-дырочного перехода, поскольку его величина пропорциональна концентрации неосновных носителей заряда:

                                      (3)

или

                                                     (4)

В уравнениях (3) и (4) ΔW - ширина запрещенной зоны; I_T - тепловой ток (см.уравнение 1); N_g - концентрация донорной примеси; N_c - эффективная плотность состояния в зоне проводимости.

S; D_p; L_p; e и P_n имеют тот же физический смысл, что и в уравнении (1); кТ - имеют общепринятое значение.

В свою очередь, концентрация неосновных носителей с повышением температуры увеличивается по экспоненциальному закону [3]. В результате перечисленные выше причины при росте температуры вызывают увеличение общего обратного тока (I_обр), проходящего через p-n-переход:

                                                     (5)

Здесь I_o - ток экстракции электронно-дырочного перехода, I_T - тепловой ток, I_y - возможный ток утечки.

Однако следует подчеркнуть - выполненные исследования показали, что наблюдаемое увеличение обратного тока (I_обр) диодов после отжига, - незначительно и находится в диапазоне разбросов основных характеристик полупроводниковых элементов рассматриваемой серии.

Заключение

Исследованы вольт-амперные характеристики кремневых диодов серии КД 522 в широком температурной интервале. Отмечено, что в случае их функционирования при температурах, превышающих паспортные значения (или граничные с ними) - наблюдается нестабильность выходных параметров во времени. Используя длительную термообработку диодов в жестких условиях, удалось добиться не только стабилизации основных характеристик, но и заметно расширить диапазон рабочих температур (поднять верхний предел рабочих температур до +200^оС). После проведенного отжига диоды стабильно функционировали при соблюдении условий: Т_{max пасп}^оС < T_раб^oC < T_отж^оС, и U_раб < U_отж, В.

Обсуждены возможные причины, обусловившие проявление указанного эффекта термостабилизации. Следует подчеркнуть, что наблюдаемый эффект может иметь место у разных типов и классов полупроводниковых приборов. Так, в ходе испытаний диодов КД 503А, КД 509А и транзисторов КТ 203А и МП - 42, подвергнутых специальному отжигу, нами зафиксировано аналогичное расширение интервала рабочих температур и стабилизация выходных параметров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990. 264 с.
2. Гитцевич И.В., Баюков А.В., Зайцев А.А. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. М.: Энергоиздат, 1982. 744 с.
3. Батушев В.А. Электронные приборы. М.: Высшая школа, 1980. 384 с.
4. Юшина Л.Д., Краев В.В., Салихов И.А. // Современные наукоемкие технологии. 2007. №12. с.126.
5. Технология тонких пленок. Под ред. Майссела Л. М.: Сов.радио, 1977. 775 с.
6. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987. 480 с.

Библиографическая ссылка