Lokální nestability v PN přechodu GaAsP diod

On the Properties of GaAsP Diodes under PN Junction Local Avalanche Breakdown

dizertace

čeština

V kandidátské disertační práci jsou prezentovány výsledky teoretického a experimentálního studia v oblasti lavinového průrazu a s tím souvisejících mikroplazmatických jevů v PN přechodu GaAsP diod. V první části práce je proveden teoretický rozbor transportních a CU charakteristik s cílem jejich využití při rozboru experimentálně naměřených dat. Dále je předložen model nárazové ionizace v GaAsP přechodech a metoda pro určení součinitele nárazové ionizace pro tento materiál a jeho závislosti na intenzitě elektrického pole. Je ukázáno, že tento součinitel velmi silně závisí na velikosti intenzity elektrického pole. V následující části je uvedeno řešení rovnice kontinuity pro nárazovou ionizaci za předpokladu závislosti součinitele nárazové ionizace na intenzitě elektrického pole a výpočet gradientu koncentrace objemového náboje. Jednou z hlavních částí teoretického rozboru je rozpracování metody určení parametrů PN přechodu z měřeného vnějšího průrazného napětí přechodu. Tyto parametry jsou gradient koncentrace příměsí, šířka přechodu a difuzní napětí. Získané výsledky je také možno využít k vyjádření parametrů oblastí mikroplazmy. V experimentální části disertační práce jsou sledovány VA charakteristiky diod bez oblastí mikroplazmy a diod s těmito oblastmi v přímém i zpětném směru. Je ukázáno, že se tyto charakteristiky liší pouze ve zpětném směru, kde se objevují oblasti bistabilního vedení proudu. Při měření VA charakteristik při napájení zdrojem proudu se na nich objevují oblasti se záporným diferenciálním odporem. Tyto oblasti se pro vyšší teploty posouvají směrem k vyšším průrazným napětím, což ukazuje na mechanismus nárazové ionizace v oblastech mikroplazmy. Důležité charakteristiky studovaných diod byly získány z měření kapacity přechodu na napětí ve zpětném směru. Bylo zjištěno, že se v tomto případě jedná o pozvolný lineární přechod a experimentálně byl zjištěn gradient koncentrací příměsí, difuzní napětí a šířka vyčerpané oblasti souboru porovnávacích diod i souboru diod s oblastmi mikroplazmy. Důležitým výsledkem práce je určení ionizačního integrálu pro oba soubory diod, který se v případě lavinového průrazu musí rovnat jedné. Tato podmínka byla splněna s dostatečně vysokou přesností, což svědčí o správnosti metody určení koeficientů nárazové ionizace pro materiál GaAs0.6P0.4. Předpokládáme, že výsledky předložené kandidátské disertační práce budou přínosem v oblasti fyzikálního popisu chování reálného PN přechodu GaAsP diod v oblastech lavinového průrazu. V technické praxi jsou tyto výsledky užitečné pro nedestruktivní diagnostiku PN přechodů, hodnocení nedokonalosti mřížky polovodiče, spolehlivosti a životnosti polovodičových součástek založených na PN přechodech.

The present Thesis presents the results of both theoretical and experimental studies of avalanche breakdown and related microplasma phenomena in GaAsP diode PN junctions regions. The first section of the Thesis deals with a theoretical analysis of transport and C-U characteristics aimed at their application to the experiment result analysis. Furthermore, a GaAsP diode PN junction located impact ionisation model and a method to determine the impact ionisation coefficient for this material, and its dependence on the electric field strength are presented. It has been shown that this coefficient depends strongly on the magnitude of the electric field strength. The next section includes a solution to the continuity equation for impact ionisation conditions for a given a vs. electric field strength plot and, furthermore, a calculation of the volume charge concentration gradient. The theoretical analysis highlights further elaboration of the method to determine the PN junction parameters based on the PN junction external breakdown voltage measurement results. These parameters are as follows: impurity concentration gradient, PN junction width and diffusion voltage. Thus obtained results may be employed to specify the microplasma region parameters. The experimental section of the Thesis is dealing with U-I characteristics of the diodes with and without microplasma regions in both forward and reverse bias conditions. It has been shown that these respective characteristics differ from each other in reverse bias conditions only, in which bi-stable current conductivity regions may occur. Negative differential resistance regions are observed on the U-I characteristics when current source circuits are used to measure these characteristics. These regions are shifting towards higher breakdown voltages with increasing temperatures, thus giving evidence of the impact ionisation mechanism in microplasma regions. Measurements of the junction capacity versus applied reverse voltage provided important diode characteristics, too. It has been established that these diodes feature a linearly graded PN junction. The experiment results allowed us to determine the impurity gradient concentration, the diffusion voltage and the depleted area width for both the reference diodes and the microplasma region containing diodes under study. Another important result of the Thesis consists in the determination of the ionisation integral for both diode ensembles, which should equal unity for avalanche breakdown conditions. This condition has been found to be met with a sufficiently high accuracy, which in turn evidences the correctness of the method employed to determined the impact ionisation coefficients for GaAs0,60P0,40. The results of the present Thesis are expected to contribute to the physical description of GaAsP diode avalanche breakdown related real PN junction behaviour. These results shall also be applicable in practice to non-destructive diagnostics of PN junctions, semiconductor lattice imperfection evaluation and PN junction based semiconductor device reliability and service life time prediction.

LED dioda, PN přechod, Šum mikroplazmy, Lokální lavinový průraz, Kvalita

LED diode, PN junction, Microplasma noise, Local Avalanche Breakdown, Quality

KOKTAVÝ, P.

31. 1. 2001