7.3. Взрывной шум в p-n-переходах с прямым смещением

О взрывном шуме в кремниевых планарных транзисторах ( и ) сообщали Гиралт с сотр. [14, 15]. Характер шума напоминал взрывной шум у -переходов при обратном смещении в том, что он также имел ступенчатую форму иногда с двумя уровнями, а в некоторых случаях с более чем двумя уровнями. Величина ступеней оставалась постоянной во времени, но имела зависимость от температуры и уровня смещения транзистора. Длительность импульсов менялась случайно с распределением вероятности, описываемым статистикой Пуассона.

Эти результаты были подтверждены позднее Мартином с сотр. [26], которые сообщили о наблюдениях токовых импульсов длительностью от до нескольких минут со статистическим распределением в соответствии с законом Пуассона. Кроме того, они обнаружили, что характер взрывного шума можно существенно изменить до такой степени, что он может появляться либо исчезать при хранении (без смещения) транзистора при температуре 200°С в течение нескольких часов. Подобное изменение, как правило, сопровождается дрейфом коэффициента усиления транзистора.

Мартин с сотр. провели исследования взрывного шума тока базы у транзисторов различных типов и нашли, что величина импульсов шума изменяется в зависимости от температуры и напряжения эмиттер — база согласно соотношению

где — параметры, величины которых зависят от

свойств конкретного испытуемого образца. Два последних параметра заключены в пределах и обычно составляют Эти величины не согласуются с интерпретацией, предложенной Мартином с сотр., согласно которой импульсы взрывного шума обусловлены неустойчивостью тока поверхностной рекомбинации, связанной со скачкообразными изменениями поверхностного потенциала в зоне с высокой степенью рекомбинации.

Рис. 7.8. Типичный вид взрывного шума тока Диода с -переходом с прямым смещением. (Согласно [17], с любезного разрешения «Пергамон Пресс».)

Флуктуации (потенциала внутри этой зоны могут стать причиной случайных изменений заселенности ловушек. Таким образом, можно объяснить экспериментально наблюдаемый взрывной Те же авторы признали, что подобный механизм предполагает сложное распределение ловушек в запрещенной зоне полупроводника и в качестве альтернативного объяснения предложили случайное «включение — выключение» инверсного канала вблизи поверхности.

Вопрос о является ли взрывной шум у -переходов с прямым смещением поверхностным или объемным эффектом,

был исследован Хсу и Виттиером [17], проводившими измерения на транзисторах с управляемым затвором. Электроды затвора размещались над -переходами диодов и транзисторов и позволяли контролировать поверхностные условия. Было юбнаружено существование взрывного шума двух типов, один из которых зависел, а другой не зависел от напряжения на затворе.

Рис. 7.9. Зависимость прямого тока от напряжения затвора при различных значениях прямого смещения. (Согласно [17], с любезного разрешения «Пергамон Пресс».)

В первом случае оказалось возможным исключить полностью и вновь инициировать этот шум, изменяя напряжение затвора, а это создавало определенные преимущества, так как один и тот же элемент можно было исследовать в присутствии или отсутствие взрывного шума. По этой причине Хсу и Виттнер сконцентрировали внимание на зависимости взрывного шума от напряжения затвора и исключили из рассмотрения те приборы, у которых шум не зависел от напряжения затвора.

На рис. 7.8 показан типичный вид импульса взрывного шума тока прямосмещенного диода с -переходом по наблюдению Хсу и Виттиера. Величина амплитуды наблюдаемых ими импульсов была всегда меньше нескольких десятых долей микроампера, а ширина импульсов менялась от нескольких микросекунд и выше (верхний предел они не установили).

Рис. 7.9 также взят из работы Хсу и Виттиера, на нем

показано влияние напряжения затвора на прямую ветвь вольт-амперной характеристики -перехода. Структура элемента, на котором проводили эти измерения, показана на этом рисунке отдельно. Сплошные кривые — это характеристики одного из исследованных -переходов. Пики на этих характеристиках приходятся на напряжения затвора, примерно равные В, что соответствует обеднению носителями поверхности -области (подложка) и поверхности -области, соответственно. У некоторых переходов обнаружено отклонение в поведении от зависимостей, указанных сплошной линией; при напряжении на затворе, большем В, наблюдался дополнительный ток, показанный штриховой линией на рисунке. Этот дополнительный ток мог быть обусловлен либо локальными концентрациями дефектов в инверсном слое, либо туннельными механизмами [33]. Согласно Хсу и Виттиеру, взрывной шум, который зависит от напряжения затвора, связан исключительно с этим дополнительным током: в тех переходах, у которых не было дополнительного тока, не наблюдался взрывной шум; в то же время взрывной шум наблюдался в тех элементах, которые имели дополнительный ток, но только в тех случаях, когда напряжение затвора приводило к поверхностной инверсии, позволяющей протекать этому дополнительному току. Более того, было найдено, что пороговое значение напряжения затвора для возникновения взрывного шума, такое же, как и для этого дополнительного тока на прямой ветви характеристики ток — напряжение затвора. Подобная картина наблюдалась и в транзисторах с -переходами, исследованных Хсу и Виттиером.

Вслед за этими первыми наблюдениями был выполнен ряд исследований взрывного шума в биполярных транзисторах: Ягер и Бредерсон [19] предложили феноменологическую модель, которую используют для расчета шума в области низких частот; Люк с сотр. [23] нашли, что амплитуды импульсов взрывного шума зависят от прямого напряжения эмиттер — база, но не зависят от обратного смещения коллектор — база; анализ спектра и экспериментальное изучение статистики взрывного шума провели Мартин и Бласкес [24]; отказы в работе интегральных схем, связанные с взрывным шумом, изучались Конти и Корда [12]. Основные выводы, которые следуют из всех этих исследований, таковы: 1) амплитуды импульсов взрывного шума тока базы подчиняются соотношению (7.3); 2) параметр в этом выражении приблизительно равен 2, но он больше, чем в выражении

для тока базы; 3) частота повторения шумовых всплесков

нейно зависит от тока эмиттера но не зависит от напряжения длительность наименее вероятного состояния уменьшается с увеличением механическое напряжение, вызываемое нажатием на кристалл транзистора стальным острием, приводит практически во всех случаях к изменению средней частоты повторения шумовых всплесков; 6) взрывной шум возникает в -транзисторах гораздо чаще, чем в -транзисторах; 7) спектр шума имеет вид где зависит от смещения.

Вопрос об источниках возникновения взрывного шума в -переходах с прямым смещением рассматривался рядом авторов, во всех случаях для его объяснения в качестве основополагающей причины использовались различные виды дефектов кристаллической структуры материала, из которого изготовлялся элемент. Люк с сотр. предложили механизм возникновения этого шума за счет появления и исчезновения крупномасштабных рекомбинационных центров. Они предположили, что таковыми могли бы являться -ные краевые дисклокации, так как известно, что такие дефекты — эффективные центры рекомбинации, что связано с ненасыщенными связями, которыми они обладают [32, 39]. Эти дефекты действуют как глубокие акцепторные уровни. Такая дислокация в полупроводниках -типа вызывает изгиб энергетических зон и около линии дислокации образуется обедненная носителями цилиндрическая зона. В материале -типа уровень Ферми опускается ниже уровня центра зоны и обедненной области не существует. Люк с сотр. полагают, что механические напряжения могут приводить к образованию области с очень большой концентрацией дислокаций, которая располагается непосредственно под контактом эмиттера, а передача импульса от электронов тока эмиттера приводит к миграции этих дислокаций по транзистору, и разные рекомбинационные тока, связанные с такими центрами в различных областях -прибора, ответственны за наблюдаемые импульсы взрывного шума. Весь подобный процесс может продолжаться непрерывно и приводить к статистически стационарному шумовому сигналу, так как механические напряжения, возникающие в области эмиттерного контакта за счет относительного смещения его составных частей, приводят к образованию все новых дислокаций, которые затем проходят через транзистор.

Для объяснения некоторых особенностей характеристик взрывного шума, по всей вероятности, подходит модель, рассматривающая поверхностные дефекты. Такая точка зрения находит поддержку в работе Мартина с сотр. [25], в которой показано, что на одной полупроводниковой пластине процент транзисторов, у которых наблюдается взрывной шум,

пропорционален. плотности поверхностных дислокций на этой пластине. Кроме того, другие авторы, например Бласкес [3], а также, Контц и Корда [12], смогли идентифицировать связь, между кристаллографической плотностью дефектов и соответствующей частью транзисторов со взрывным шумом. С другой стороны, Бродерсон с ротр. [5] высказали предположение о, том, что в качестве причины, - приводящей к взрывному шуму, могут выступать осадки металла, а Хсу с сотр. [18] предложили модель, основанную на дефектах такого типа.

Рис. 7.10. Модель взрывного шума. а — дефект, расположенный в металлургическом переходе; б - диаграмма энергетических зон около этого дефекта.)

Хсу с сотр. рассуждали следующим образом: число носителей заряда в типичном импульсе взрывного шума, имеющего амплитуду и длительность составляет по порядку величины .

Крайне мало вероятно, чтобы при механизме, обусловливающем этот токовый импульс, все эти носители возбуждались независимо. Гораздо вероятнее такой процесс, при котором единичное событие приводило как бы к запуску потока всех носителей в таком импульсе. Такой процесс мог бы иметь место в том случае, когда только один генерационно-рекомбинационный центр был бы расположен в области дефекта с высокой скоростью рекомбинации. В качестве такого дефекта мог бы быть дефект типа металлического осаждения.

Предложенная модель основана на положении, согласно которому ток через область такого металлического осаждения модулируется изменением заселенности соседнего рекомбинационно-генерационного центра. Представим себе дефект, находящийся в металлургическом -переходе, на поверхности или в объеме полупроводника, как это показано на рис. 7,10, а. Этот дефект находится в переходе, соединяющем и -области. Далее Хсу с сотр. считали, что между осадком металла и -областью полупроводника существует большой потенциальный барьер, который действует как выпрямляющий контакт, а потенциальный, барьер между металлом и -областью

полупроводника относительно низок, что соответствует омическому контакту Запускающий (инициирующий) рекомбинационно-генерационный центр расположен в области объемного заряда выпрямляющего барьера на «-стороне перехода.

В том случае, когда на переход подается прямое смещение, большая часть падения потенциала приходится на область выпрямляющего контакта металл — полупроводник, что приводит к уменьшению высоты барьера (рис. 7.11, а) и через переход течет ток.

Рис. 7.11. Влияние изменения заселенности -центра на выпрямляющий барьер. а — центр пуст, барьер низкий, ток большой; б - центр занят электроном, барьер стал выше, ток уменьшился.

Далее, если заселенность рекомбинационно-генерационного центра (-центра) изменяется, скажем, путем захвата электрона, то высота барьера увеличивается, а ток через переход уменьшается (рис. 7.11, б). Следовательно, по этой модели единственный акт захвата или освобождения носителя заряда приводит к модулированию потока большого числа носителей таким способом, который приводит к количественному соответствию с наблюдаемой на практике величиной взрывного шума. В частности, величина амплитуды импульсов такого шума, согласно этой модели, имеет экспоненциальную зависимость от напряжения смещения в виде, определяемом уравнением (7.3).

В описанных выше моделях Люк с сотр. и Хсу с сотр. связывают происхождение взрывного шума с двумя существенно различными типами дефектов в кристаллах образцов: в первом случае шумовые импульсы связываются с движением

дислокаций в кристаллической структуре, а во втором шум обусловлен наличием металлических осаждений в кристалле. Рёдель и Висванатан [35] предприняли попытку определить истинную среди этих альтернатив, для чего вводили определенные изменения в технологию изготовления линейных операционных интегральных усилителей. Сначала они приняли меры по предотвращению осаждения атомов металлов в область перехода эмиттер — база, но не изменили при этом плотность дефектов дислокационного типа, использовав метод -отжига. Такая обработка привела к заметному, но не впечатляющему увеличению количества транзисторов с меньшей величиной взрывного шума или вообще без него. Гораздо более существенные положительные результаты достигались в тех случаях, когда минимизировался температурный удар, что достигалось снижением скорости при выращивании кристаллов эмиттеров методом вытягивания из печи при температуре 1000 °С со скоростью см/мин. При большей скорости вытягивания фактически все транзисторы имели дефекты дислокационного типа в области перехода эмиттер — база, тогда как при меньшей 80% транзисторов были абсолютно свободны от таких дефектов, что, вероятно, было связано с самозалечиванием пластин за счет большего времени их пребывания в горячей зоне печи. Полученные результаты суммированы в табл. 7.1. Из них следует, что именно дефекты дислокационного типа обусловливают взрывной шум у р—переходов с прямым смещением.

Такой вывод получил серьезную поддержку в работе Бласкеса [4], касающейся исследований планарных эпитаксиальных n-p-n-транзисторов. Он провел статистические эксперименты

Таблица 7.1. Воздействие дефектов типа металлических осаждений и дефектов типа дислокаций на взрывной шум. Данные результаты получены Рёделем и Висванатаном [35] согласно измерениям, выполненным на линейных операционных интегральных усилителях (с любезного разрешения,

на нескольких десятках пластин с целью определения, типа кристаллических дефектов, главным образом обусловливающих взрывной шум у переходов с прямым смещением. Им изучалось воздействие дефектов, возникающих за счет термического удара (линии сдвига), индуцированных диффузией дислокаций внутри и вне области эмиттера сильно легированных транзисторов и металлических осаждений (золота и меди). Результаты исследования показали, что металлические примеси и осаждения не являются источниками взрывного шума, тогда как линии сдвига в результате термического удара и индуцированные диффузией дислокации при высоком уровне легирования эмиттера в обоих случаях приводят к взрывному шуму.

Это доказательство совместно с более ранней работой Рё-деля и Висманатана, очевидно, неоспоримо: основной источник взрывного шума в -переходах с прямым смещением — дислокации кристаллической структуры, а не осаждения металлов.