恒磁場對 Si、Ge基二極管 I-V特性的影響及機(jī)理分析*

張國賓,申開盛,王朝林,易 忠,孟立飛,劉 肅*

1.蘭州大學(xué)微電子研究所,蘭州 730000;2.中國空間技術(shù)研究所,北京 100094

ZHANGGuobin1,SHEN Kaisheng1,WANGZhaolin1,YI Zhong2,MENGLifei2,LIU Su1*

1.Institute of Microelectronics,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China;

2.China Academic of Space Technology,Beijing 100094,China

衛(wèi)星普遍使用磁力矩器進(jìn)行姿態(tài)、導(dǎo)航、運(yùn)行等控制。我國低軌道、高軌道衛(wèi)星上一般使用從 100 A?m2到 2 000 A?m2不等的磁力矩器,其頭部 100 mm處能產(chǎn)生高達(dá) 350 G(Gauss)的強(qiáng)磁場,尤其是 IGSO/MEO(高軌道衛(wèi)星)衛(wèi)星磁力矩器每天連續(xù)工作 7 h,而且是滿負(fù)載工作,因此必須考慮磁力矩器的磁場對衛(wèi)星敏感元件和重要儀器設(shè)備(大部分由半導(dǎo)體元器件為主電子電路或電路單元構(gòu)成)的干擾甚至毀壞作用[1]。我國雖然在磁力矩器磁場的地面試驗(yàn)和理論分析方面有一些工作進(jìn)展,但磁力矩器磁場對半導(dǎo)體元器件為主的電子電路或電路單元及其它敏感元件的影響的實(shí)驗(yàn)和機(jī)理尚不深入,研究成果還無法滿足對航天器異?，F(xiàn)象進(jìn)行更可靠、更精確分析的需求,因此需進(jìn)行更系統(tǒng)、更深入的研究。

本實(shí)驗(yàn)主要研究了半導(dǎo)體分立器件和集成電路的最小單元——PN結(jié)二極管在恒磁場下的工作特性。測試了典型的 Si、Ge基二極管在恒磁場下的反向飽和電流 IS、正向 I-V特性等,同時運(yùn)用磁場對載流子的作用進(jìn)行理論分析和模擬。本文結(jié)論對半導(dǎo)體器件在恒磁場中的使用有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測試樣品為典型的 Si、Ge系列二極管,Si基二極管 1N4007、1N5408等為美國 Fairchild Semiconductor生產(chǎn),Ge基二極管型號為 2AK10。以上器件的結(jié)構(gòu)圖及典型的參數(shù)見參考文獻(xiàn)[2-3]。實(shí)驗(yàn)裝置及測試示意圖如圖 1所示,將樣品置于恒磁場中的玻璃恒溫池內(nèi),保持 25℃(本實(shí)驗(yàn)采用水冷方式),以排除溫度變化對測試信號的干擾。將二極管置于磁場,使磁感線垂直穿過其橫截面,分別引出正負(fù)電極,給器件加一定的電壓進(jìn)行測試。

圖 1 實(shí)驗(yàn)測試示意圖

恒磁場由電磁鐵提供,在 0～2 T的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。I-V特性測試主要用 Tektronix 370B可編程特性曲線圖示儀完成,電流精度能達(dá)到 10-9A。實(shí)驗(yàn)中器件的反向飽和電流 IS定義為溫度 300 K、反向偏壓為 10 V的條件下二極管的輸出電流。為了驗(yàn)證測試結(jié)果的可靠性,實(shí)驗(yàn)中對同一類型的器件進(jìn)行多次測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 反向飽和電流 IS的影響

設(shè)定二極管的偏壓并保持不變,從 0～2 T的范圍調(diào)節(jié)恒磁場的大小,測試二極管的反向飽和電流。1N4007、2AK10二極管反向飽和電流的隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線如圖 2所示。由圖可見,在相同的條件下,Si基二極管的反向飽和電流 IS比 Ge基二極管小兩個數(shù)量級,這主要解釋為：Si的禁帶寬度比Ge的大(Si為 1.12 eV,Ge為 0.66 eV),相同的溫度和反偏壓下,禁帶寬度越小,載流子通過隧道效應(yīng)穿過禁帶的概率越大,因而反向電流也越大。

圖 2 IS～B關(guān)系曲線

通過比較發(fā)現(xiàn)：Si基二極管的 IS隨磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎保持在約 17 nA,Ge基二極管 Is隨磁場增強(qiáng)而呈現(xiàn)下降趨勢,從 1 050 nA降到 900 nA,IS下降幅度達(dá)到 150 nA左右?？梢?前者的反向飽和電流幾乎不受磁場的影響,而 Ge基二極管不同,其 IS變化明顯。這主要與兩種半導(dǎo)體材料的載流子的遷移率不同有關(guān),下面進(jìn)行具體的理論[4]解釋：

當(dāng)磁場與外加電場垂直時,載流子做弧形運(yùn)動,因而散射概率增大,平均自由時間減小,遷移率下降。本文的理論分析及模型建立主要根據(jù)R.N.Zitter[5]的分析結(jié)論和二極管的反向飽和電流方程進(jìn)行。在磁感應(yīng)強(qiáng)度 B下的載流子遷移率 μB和擴(kuò)散系數(shù) DB被修正[5-6]為式(1)：

其中,μ0和 D0分別為零磁場下的載流子遷移率和擴(kuò)散系數(shù)。二極管在零磁場下的反向飽和電流 IS0的方程如式(2)：

將 μB和 DB代入(2),并且利用恒磁場下的飽和電流密度 Is為：

鑒于所測試二極管為 n+-p結(jié),利用簡化的單邊突變結(jié)模型,主要 p型襯底一側(cè)的電流起到了主要作用,電子電流占優(yōu)勢,且 Si、Ge兩種材料中電子遷移率比空穴遷移率大得多,根據(jù)式(3),與電子的飽和電流密度的變化相比,空穴的遷移率幾乎沒有改變[7-8],可以認(rèn)為空穴的飽和電流密度近似是個常數(shù)。磁場下總的飽和電流密度即電子電流密度,則磁場下總的反向飽和電流密度 IS可近似為式(4)：

300 K時,Si材料電子遷移率為 1 350 cm2/(V?s),Ge的電子遷移率為 3 900 cm2/(V?s)。圖 3是理論計(jì)算曲線和實(shí)驗(yàn)測試曲線的對比。從圖 3可見,器件在弱磁場(B＜1 T)中,實(shí)驗(yàn)測試曲線與理論模型曲線符合地較好,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好的驗(yàn)證了理論模型。

當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度繼續(xù)增大(B＞1 T)時,實(shí)驗(yàn)測試曲線與理論計(jì)算曲線符合程度降低,二者出現(xiàn)明顯差異。主要原因?yàn)椋豪碚撃Ｐ退玫?R.N.Zitter的結(jié)論中假定的橫向磁阻系數(shù) ξ=1,而實(shí)際的橫向磁阻系數(shù)與載流子的速度的統(tǒng)計(jì)分布,即載流子的速度和壽命有關(guān)[4,9]。當(dāng) B＞1 T時,考慮長聲學(xué)波散射或電離雜質(zhì)散射,一般情況下ξ＜1,導(dǎo)致理論值較實(shí)驗(yàn)值較小。

圖 3 IS～B的實(shí)驗(yàn)曲線與理論模擬曲線比較

同時,因?yàn)?Ge的電子遷移率約為 Si的 3倍,在同樣的磁場下,Ge基二極管載流子遷移率受到影響更為顯著,因此,Ge基二極管的反向飽和電流 IS隨磁場強(qiáng)度增大下幅降較 Si基二極管的更快[9-10]。

鑒于電磁鐵的最大中心磁場強(qiáng)度限制,我們無法測試強(qiáng)磁場(B＞5 T)下二極管的工作特性。但是仍然有必要通過以上理論模型,模擬強(qiáng)磁場下Si、Ge基二極管反向飽和電流 IS隨磁感應(yīng)強(qiáng)度 B的變化[11-12]。結(jié)果如圖 4所示。

圖 4 強(qiáng)磁場中理論模擬 IS～B關(guān)系曲線的理論模擬

可見,在 B≥5T的強(qiáng)磁場的范疇,IS達(dá)到飽和狀態(tài),因?yàn)樵趶?qiáng)磁場下半導(dǎo)體器件的電阻率隨磁場的增大逐漸趨于飽和[13]。

2.2 正向 I-V特性的影響

在分別為 0 T、0.5 T、1 T、1.5 T、2 T的恒磁場下,二極管 1N4007、2AK10的正向 I-V特性曲線如圖 5所示。

圖 5 磁場B=0,0.5,1,1.5,2 T.時正向伏安特性曲線

根據(jù)式(5)所示理想二極管 I-V特性方程：

其中 IF為二極管正向電流,T為溫度,V是正向偏壓。則正向電流由此場所引起的變化如式(6)所示：

其中,反向飽和電流 IS的變化量為 ΔIS=|IS0-IS|。因?yàn)?Si基二極管反向飽和電流 IS基本不受磁場的影響,所以,1N4007的正向 I-V特性不隨外加磁場發(fā)生變化。而 Ge基二極管的反向飽和電流 IS隨磁場強(qiáng)度增大有明顯下降,當(dāng)正向偏壓約等于0.25 V時可以觀測到正向電流出現(xiàn)明顯的波動。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：B＜2T的恒磁場對 Si基二極管的正向 I-V特性的沒有影響,對其反響飽和電流影響很微弱。Ge基二極管的工作特性對磁場的變化比較敏感,實(shí)驗(yàn)中可以觀測到其正向和反向 I-V特性隨磁場的明顯的變化。因此 Si基系列器件可以在小于 2 T的恒磁場內(nèi)正常工作,而在磁場中使用 Ge基系列器件,應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇艌銎帘未胧?/p>

[1] 張芳,蔡金燕,朱艷輝.電磁環(huán)境中電子器件的失效分析[J].電子器件,2009,32(2)：368-371.

[2]Hornmark E T,Lyon S A.New Features of Electrically Detected Magnetic Resonance in Silicon P-N Diodes[J].Solid State Communications,2000,116：279.

[3] 中華人民共和國第四機(jī)械工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn).2AK1-20型Ge開關(guān)二極管[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1978.

[4] 葉良秀.半導(dǎo)體物理(第二版)[M].北京：高等教育出版社,2007,383-394.

[5]Zitter R N.Role of Traps in Photo Electromagnetic and Photoconductive Effects[J].Phys Rev,1958,12(3)：852.

[6] 賈嘉,陳新禹,李向陽,等.變磁場 I-V法對碲鎘汞光伏器件少子擴(kuò)散特性的研究[J].紅外與毫米學(xué)報(bào),2005,24(2)：140-142.

[7] 李欣,張清,阮建中,等.不同長度敏感元件的兩種巨磁阻抗傳感器傳感性能研究[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2008,21(7)：1147-1150.

[8]Tsui F,Ma L.Magnetization-Dependent Rectification Effect in a Ge Magnetic Heterojunction[J].Appl Phys Lett,2003,83(5)：954.

[9] [美]史密斯著,高鼎三譯.《半導(dǎo)體》第二版[M].北京：科學(xué)出版社,1987：453-472.

[10]吳鏑,熊祖洪,李曉光,Z V Vardeny,等.磁場增強(qiáng)的 La2/3 Sr1/3 MnO3有機(jī)半導(dǎo)體界面載流子注入[J].物理,2006,35(6)：456-460.

[11]劉志國.磁場對球頭陰極二極管特性的影響[J].強(qiáng)激光與離子束,2004,16(12)：1563-1566.

[12]白現(xiàn)臣,張建德,楊建華.磁場引導(dǎo)雙電子束傳輸模擬和實(shí)驗(yàn)研究[J].強(qiáng)激光與離子束,2008,20(10)：1675-1678.

[13]Michael PDelmo,Shinpei Yanamoto.Shinya Kasai Large Positive Magnetoresistive Effect in Silicon Induced by the Space-Charge Effect[J].Nature,2009,457(26)：1112-1115.