电子辐照对功率半导体器件电学参数的影响

电子辐照对功率半导体器件电学参数的影
26—0 确功獬最{/ ' 上海微电子技术和应用1994年第4 期电子辐照对功率半导体器件电学参数的影响
许志祥上海整流器总厂, 摘要本文详细地介绍了一些有关复合中心,少子寿命等的基本概念,然后叙述电子
辐照对各种功率半导体器件电参数的影响. 众多的功率半寻体器件本质上是利用少子运动的器件.器件的各电学参数与其少子寿命
有着密切的关系.器件性能的好坏,在很大程度上依赖于对少子寿命的合理控制.而电子辐照的一个突出优点就是能精确控制少子寿命从而达到精确控制各半
寻体器件电参数的目的,
真正起到了对半寻体器件”辐射加工”的作用.为便于理解辐射对各半寻体器件电学参数的
影响,本文主要介绍少子寿命,复合中心及其辐照与它们的关系.
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些基本的物理概念
1. 少手寿命, 本文所讨论的半寻体器件包括二极管,三极管及晶闸管等.而由一个
PN 结构成的二极
管是其它半寻体器件的基础.由其导出的少子寿命概念适用于其它半导体器件.
当PN 结上加正向偏压时, 在N 区产生了一定数目的多余的非平衡少子(空穴)AP .当
正向偏压去掉后,这些非平衡的少子逐渐减少.非平衡少子浓度△P 在单位时间单位体积内
的减小率满足下式:
K.AP(1)
当APN区的多子(电子)浓度少得多时,K为常数.设t=O时,AP(t)=AP(O) 积分
(1) 式得l
AP(t)=AP(0)exp( 一kt)(2)
少子寿命就是非平衡少子的平均生存时间,因此订,
T= AP(t)/d 邙((3).
把(2)式代入⑶式得3下=1/K,则⑵武可写成3
AP ㈩二AP(o)exp(—刁(4)
由此可见,少子寿命是一种统计平均值,它表示非平衡少子浓度由初始
值AP(0)减少到
△P(O)/e的时间.
2. 复合中心
虫虫
27一
实验发现,一块纯度和晶体完整性非常好的半导体硅,非平衡少子寿命往往长达几毫秒
甚至几百毫秒.在这种情况下,非平衡载流子是靠导带电子直接跃迁到价带,与价带中的空
穴发生复合才逐渐复合的,这种复合叫直接复合.发生直接复合的条件是,复合前后的电子
和空穴要同时满足动量和能量守僵,对半导体硅来说,这一条件是很难同时满足的.所以发
生直接复合几率极少,因此少子寿命很长.同样一扶半寻体硅,经电子辐照后,少子寿命明
显缩短.这是因为辐照会在半寻体硅中产生缺陷,电子和空穴通过这些缺陷会加速复合,这
种复合叫间接复合,这些能促进电子和空穴复合的缺陷叫复合中心.该
缺陷会在禁带中形成
深能级.为简单起见,只讨论N 型硅中只有一种深能级的,情况,此时复合中心的复合过程可
用Shockley-Read-Ha11(SRH模莫型来分析t该复合中心只能处于一种状态,即带负电状
态或呈中性状态.因此可发生四种过程:
A:处于中性状态的复合中心从寻带俘获电子而带负电荷.
B:电子从复合中心发射到寻带，复合中心呈中性状态.
C:中性状态的复合中心从价带俘获电子而带负电.
D:带负电的复合中心俘获空穴而呈中性状态.
对N 型硅中的空穴浓度远比电子小的所谓小注入情况,通过复杂计算
可得少子寿命为:
百-"
(5)
式中dP,UP 分别表示复合中心对空穴的俘获截面和空穴的热运动速
度.(5)式表示,Nt个
复合中心基本上填满了电子,一旦空穴出现在复合中心的俘获截面内
就被复合掉.这就是
说,上述四个过程，占主要的只有A,D-个过程.
对N 型硅来说,缺陷要起复合中心作用,先决条件是它先要填满电子. 填满电子的复合
中心对空穴(少子)产生静电吸引作用,从而加强了对少子的俘获能力. 一旦复合中心俘获
个空穴便变成中性状态.由于N 型硅中电子浓度很大,中性状态的复合中心又会填满电
子,这种过程不断重复进行,致使N 型硅中的少子很快复合掉. 缺陷能否起复合中心作用,首先与缺陷能级位置有关,其次与环境温度缺陷对少子和多子的俘获截面等有关.当半寻体器件的杂浓度一定后,在一定温度下费米能级位置一
定,如果缺陷能级位置越靠近禁带中央,这表明缺陷能级越处在费米能级下方,因此缺陷能级
上占有电子几率就越多.然而费米能级位置El=2.3(KT)I~()+Et, 式中EI 为本征能
级位置(对硅EI=0.55ev),ND 为多子浓度,Ni 为本征载流子浓度.由于Nt 随温度升高而
迅速增大，使lg()J随温度升高而大大减小•最终使(KT)与)的乘积减小. 所以随
温度升高,费米能级位置逐渐趋近禁带中央,缺陷能级与费米能级之间
的距离随着减小,缺
陷能级上占有电子几率也随着减少.另外俘获截面也随温度升高而下降.所有这些因素使得
随温度升高器件的少子寿命变长.
3. 少子寿命与辐照注量关系
少子寿命与辐照注量(单位面积所接收的电子数)满足如下关系式{
上:K 击(6)
t 百O'
28一
式中T.,T 分别为辐照前后的少子寿命,西为注量lK 为辐照损伤系数, 它与电子能量,辐照
温度,器件制造工艺及缺陷性质等都有关.如果辐照注量足够大,使K 西》p则+〜’n'
K4,这表示辐照后的少子寿命主要取决于辐照注量而与辐照前器件的少子寿命无关.所以
只要精确控制辐照注量,就能精确控制与少子寿命有关的电学参数. =,电子辐照对半导体器件电学参数的影响电子辐照在半寻体硅中产生的缺陷会使少子寿命缩短多子浓度减少, 而且缺陷对载流子
要产生散射作用,从而使载流子的迁移率及电寻率减小,电子辐照对器件电学性能的影响主
要就是通过上述这些物理量的改变而引起的 '
1.二极管
(1) 反向恢复时间
电子辐照会缩短少子寿命,由(4)式可见,的蒯,会明显加速少子的消失速度,从而
明显的缩短二极管的反向恢复时间t.因此二极管经电子辐照后，工作
频率可大大提高.
(2) 正向压降
正向压降Vf----.式中A为结面积,w为基区宽度，1.为正向电流，由于基区电
寻率a与辐照注量西中满足关系:a=a.e-'其中a为常数,a.为初始电寻率.经辐照a会
下降.因此辐照会使正向压降略有增加.
(3) 反向漏电流
反向漏电流I主要由空间电荷区的本征激发引起的」:.式中,x为空间电荷区宽度,q为单位电荷量,Nt为本征载流子浓度，电子辐照使少子寿命缩短,从而引起反向漏电流增大. '
(4) 反向击穿电压,
二极管的反向击穿电压的近似表达式为：VB〜5.3 X 10.(ND)首.通过辐照所产生的
复合中心浓度设为N •由于复合中心基本上填满了多子，因此多子浓度将由ND减少为(ND
NI).与此相应,VB也略会增加•有学者通过严密计算指出，电压增加只能发生在约lO
s 时间内,如时间太长,则空间电荷区内被复合中心俘获的多子受强电场的作用而逐渐被清
除掉，复合中心也由带负电变为中性，因此载流子浓度仍恢复为ND,反
向击穿电压VB 也恢
复原来值.另外二极管经辐照后反向漏电流会增别为空穴和电子的扩
散长度•扩散长度L与扩散系数D的关系式
为:K=x/DL,由于辐照使下降而使L减小，从而引起,r及B鬻减小，结果使0'减小.当然
共发射极电流放大系数B也减小.’
(2) 正向饱和压降
当三极管处在深饱和状态时，饱和压降VCES,-~lmrs,式中Im是集电极最大电流,r.是
集电极串联电阻.辐照后由于多数载流子浓度ND减少，使r增加,因此VCES 会增加.
(3) 反向击穿电压
三极管是由两个PN结构成的三端器件，因此其反向击穿电)-/{BVCEO
涂与单个PN 结的击穿电)J~,BVCBO有关外，还与反映PN结相互作用强弱的电流放大系数有关:BVCEO=
器.辐照后，三极管的电流放大倍数B及BVcB.都会减少,B下降使
BVcEO 增加,
而BVcBo下降使BVcEo下降.实验指出，一般来说BVcEo鄙略有增加. (4) 反向漏电流
三极管的反向漏电流ICEO=(1+I~)ICBO. 辐照后会使二极管的反向漏电流ICBO 增大,
但由于放大倍数 B 下降,因此辐照后反向漏电流的变化不大.
(5) 上升时间,下降时间及贮存时间
辐照后,由于三极管的,B 下降,少子寿命缩短及集电区的串联电阻增』
J H，最终使三极管
的上升时间t.增加，下降时间t.ff贮存时问t.都缩短些.?
(6) 势垒电容
辐照后,多子浓度减少,发射结及集电结的空间电荷区宽度瞬时增大.
因此发射结和集
电结势垒电容瞬时下降.
3.晶闸管
所谓晶闸管,它是由硅单晶制成,包括三个或更多PN 结,能从断态转入通态,或由通
态转入断态的双-稳态半寻体器件的总称.自从1957 年美国通用电气
公司制造出第一只可控硅以来,至今已派生出许多新型器件,这些器件,这些器件形成了一个大家族——晶闸管.目
前可控硅（或称普通晶闸管）仅是晶闸管的一个组成部分.
（1）快速晶闸管
A,关断时间
晶闸管的关断时间toll=ln（, 式中IF,IH 分别为晶闸管的通态电流及维持电
流.辐照使少子寿命下降,IH 增加,所以辐照使关断时间明显缩短,从而使晶闸管的工作频率大大提高.
B ,正向压降
结构一定的晶闸管,正向压降Vl 与,//的倒数成正比,辐照后,由于下降, 因此
30?-一
Vl 会增加.
C,反向转折电压
反向转折电压（击穿电压）VB2VB（1—0【.）彳，它与单个PN结的雪崩击穿电压VB
及反映各PN结相互作用强弱的电流放大系数0【t有关•辐照使Ve及
0【t都下降•实验指出，辐
照后一般使VBR 略有增加.
】=l, 反向漏电流
反向漏电流l,=,lco~-个PN结的反向漏电流，辐照使IcO及0【t都减小. 实验
指出,辐照后一般I ,略有增加.
E, 维持电流
晶闸管的维持电流I 是少子寿命的灵敏函数,辐照后使百下降,从而使IH 明显增大.
F, 门极电流及门极电压
辐照使电流放大系数0【减少,因此辐照后晶闸管的门极电流及门极电压都增大，
(2) 双向晶闸管双向晶闸管换向能力的限制是实际使用中的一个突出问题,为了提高
器件的换向能力,就
要防止二个反并联晶闸管的载流子的扩散.为此必须使双向晶闸管隔离区中的少子寿命大大
缩短.把一定厚度的重金属,例如钽,钨等按隔离区的形状开槽,辐照时只有开槽的地方电
子才能通过,其它地方电子被重金属阻挡住.通过辐照可使隔离区的少子寿命降低几个数量
级,因而提高器件的换向能力.也就提高了器件的等级合格率.
（3）可关断晶闸管
可关断晶闸管国外是八十年初才有商品出售,国内尚处于批量试制阶段.与普通晶闸管
不同,可关断晶闸管的门极加负脉冲可使导通的晶闸管关断,关断条件
是关断增益B... <
Ot:/（0【1+0【2—1），式中0【I及0【2是二个等效电流放大系数.为了便于关断, 必须使可关断晶
闸管处于临界寻通状态.导通时晶闸管的饱和程度愈临界,其积累的载流子愈少,愈有利关
断•辐照能精确控制可关断晶管的电流放大系数0'及0【，如果辐照后
使（0【.+0【.）七便
满足关断条件.
4. 特种器件
对结型场效应器件,MOS 器件,集成电路等,常用电子辐照来改变器件的各电学参数.
电子辐照可用于MOS器件,CMOS~,CCD —电荷耦合器件，PIN硅光电二极管的
核辐射加固研究.电子辐照在半导体器件中产生缺陷,这些缺陷可能有助于消除器件的噪
声,因此辐照可作噪声研究. EffectsofeIectronirradiationOiIeIectricaIparameters ofpowersemiconductordevices xuzhixiang(ShanghaiGeneralRectifierPlant) Abstract
Thisarticieintroducesindetail?ThebasicthoryOnrecombinati.nceatreaadmia oritycerrierlife.
Them,effectofelectronirradiationOnelectricalparametersofpoworsemicol~ ductordevicesarede
cr.1bed.。