Методы статических и динамических ВАХ

Информация для оценки качества может быть выявлена непосредственно из ВАХ исследуемого образца или путём сравнения этой характеристики с ВАХ контрольного образца одного и того же типа. Возможность визуализации наблюдения ВАХ позволила использовать эти методы для контроля ИМС, полупроводниковых приборов, реле, переключателей, резисторов и др. Контроль ЭРИ непосредственно по прямой ветви ВАХ позволяет выявить обрывы, короткие замыкания, утечки, наличие токопроводящих каналов, присутствие влаги и т.д. Практически для всех групп ЭРИ можно найти информативные участки ВАХ, контроль и анализ которых позволяет получить информацию о профиле легирующей примеси, о наличии объёмных дефектов, дефектов окисла, поверхностных дефектов. На основании исследований было выявлено 4 основных группы аномальных ВАХ.

Рисунок 26 - Аномальные ВАХ

Структурные неоднородности, наличие посторонних включений в поверхностном слое р-n-переходов могут приводить к локальному повышению градиента напряжения в отдельных зонах р-n-перехода. Эти дефекты не вызывают изменения прямой ветви ВАХ (рисунок 26, а), но приводят к увеличению крутизны падения обратной ветви ВАХ. ВАХ, представленная на рисунке 26, б, показывает наличие загрязнения поверхности с сочетанием повышенного содержания влаги. Эти дефекты приводят к увеличению токов утечки и искажению ВАХ. ВАХ, представленная на рисунке 26, в, показывает, что профиль легирующей примеси является неравномерным. ВАХ, представленная на рисунке 26, г свидетельствует о наличии интерметаллических включений в омическом контакте, наличие неустойчивого контакта.

Важную информацию о качестве и надёжности полупроводниковых изделий несут динамические ВАХ. Они характеризуют изменение ВАХ во времени. Подавая на р-n-переход импульсы напряжения или пропуская импульс тока, можно получить следующие группы временных характеристик:

1. Характеристики коммутационных нестабильностей обратных токов р-n-переходов. Они свидетельствуют при замедленном спаде тока через переход в течение прямоугольного импульса прямого напряжения длительностью порядка 1 мкс о наличии скрытых дефектов.

2. Характеристики падения напряжения на переходе при пропускании в обратном направлении прямоугольных импульсов тока. Эти характеристики свидетельствуют о наличии грубых дефектов, приводящих к отказам полупроводниковых приборов.

3. Импульсные ВАХ снимают при пропускании треугольных импульсов тока различной длительности.

Метод динамических ВАХ позволяет контролировать профиль концентрации распределения легирующих примесей, наличие скрытых электрически активных дефектов, неоднородности МДП-структур.

Метод m-характеристик

Он является одним из эффективных методов получения информации о качестве полупроводникового прибора. Этот метод основан на анализе ВАХ прямо смещённого р-n-перехода. Уравнение прямой ветви ВАХ описывается выражением:

, (*)

- тепловой ток (обратный ток насыщения);

q – элементарный заряд;

U – прямое напряжение, приложенное к р-n-переходу;

k – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура р-n-перехода.

Формула (*) отражает некоторое приближение для случая идеального р-n-перехода. Для реального р-n-перехода:

m – безразмерный параметр ВАХ.

Из этого выражения можно определить параметр m:

.

Для идеального р-n-перехода m=1. Для реального – отличается от 1.

Ток прямосмещённого p-n перехода состоит из нескольких составляющих. Каждая из составляющая имеет своё значение параметра m:

1) m ≈ 1 объёмный диффузионный ток

2) ток генерации рекомбинации в объёме полупроводника 1≤m≤2

3) ток генерации рекомбинации на поверхности 1≤m≤2

4) ток, обусловленный поверхостными каналами в области p-n перехода 1≤m≤10

По величине m и зависимости m = f (I_пер) можно определить вклад каждой из составляющих тока и определить класс или группу дефектов. Зависимость m = f (I_пер) как функцию тока через переход имеет вид:

Рисунок 27 - Зависимость m = f (I_пер)

Имеется небольшое количество дефектов.

Рисунок 28 - Зависимость m = f (I_пер)

Здесь аномальный процесс генерации-рекомбинации, связанный с аномалией дефектов.

Рисунок 29

При наличии поверхностных дефектов они ведут к дополнительному току генерации рекомбинации.

На практике кроме вида m – характеристики используют зону или границу забракования. Методика определения этой зоны состоит в следующем: определяется m – параметр. Для его определения используются генератор тока с постоянным отношением . В этом случае измеряют дифференциальное сопротивление.

В любой точке диапазона токов через p-n-переход задаётся прямой ток и одновременно накладывается переменный сигнал от генератора импульсов тока с низкой частотой, например 10 Гц. При обеспечении величина m параметра будет пропорциональна ΔU. Измеряя значение переменной составляющей напряжения на p-n – переходе с помощью вольтметра, получим значение m.