恒磁场对 Si、Ge基二极管 I-V特性的影响及机理分析*

张国宾,申开盛,王朝林,易 忠,孟立飞,刘 肃*

1.兰州大学微电子研究所,兰州 730000;2.中国空间技术研究所,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

卫星普遍使用磁力矩器进行姿态、导航、运行等控制。我国低轨道、高轨道卫星上一般使用从 100 A◦m2到 2 000 A◦m2不等的磁力矩器,其头部 100 mm处能产生高达 350 G(Gauss)的强磁场,尤其是 IGSO/MEO(高轨道卫星)卫星磁力矩器每天连续工作 7 h,而且是满负载工作,因此必须考虑磁力矩器的磁场对卫星敏感元件和重要仪器设备(大部分由半导体元器件为主电子电路或电路单元构成)的干扰甚至毁坏作用[1]。我国虽然在磁力矩器磁场的地面试验和理论分析方面有一些工作进展,但磁力矩器磁场对半导体元器件为主的电子电路或电路单元及其它敏感元件的影响的实验和机理尚不深入,研究成果还无法满足对航天器异常现象进行更可靠、更精确分析的需求,因此需进行更系统、更深入的研究。

本实验主要研究了半导体分立器件和集成电路的最小单元——PN结二极管在恒磁场下的工作特性。测试了典型的 Si、Ge基二极管在恒磁场下的反向饱和电流 IS、正向 I-V特性等,同时运用磁场对载流子的作用进行理论分析和模拟。本文结论对半导体器件在恒磁场中的使用有一定的参考价值。

1 实验

实验测试样品为典型的 Si、Ge系列二极管,Si基二极管 1N4007、1N5408等为美国 Fairchild Semiconductor生产,Ge基二极管型号为 2AK10。以上器件的结构图及典型的参数见参考文献[2-3]。实验装置及测试示意图如图 1所示,将样品置于恒磁场中的玻璃恒温池内,保持 25℃(本实验采用水冷方式),以排除温度变化对测试信号的干扰。将二极管置于磁场,使磁感线垂直穿过其横截面,分别引出正负电极,给器件加一定的电压进行测试。

图 1 实验测试示意图

恒磁场由电磁铁提供,在 0～2 T的范围内连续可调。I-V特性测试主要用 Tektronix 370B可编程特性曲线图示仪完成,电流精度能达到 10-9A。实验中器件的反向饱和电流 IS定义为温度 300 K、反向偏压为 10 V的条件下二极管的输出电流。为了验证测试结果的可靠性,实验中对同一类型的器件进行多次测量。

2 结果与分析

2.1 反向饱和电流 IS的影响

设定二极管的偏压并保持不变,从 0～2 T的范围调节恒磁场的大小,测试二极管的反向饱和电流。1N4007、2AK10二极管反向饱和电流的随磁感应强度的变化曲线如图 2所示。由图可见,在相同的条件下,Si基二极管的反向饱和电流 IS比 Ge基二极管小两个数量级,这主要解释为：Si的禁带宽度比Ge的大(Si为 1.12 eV,Ge为 0.66 eV),相同的温度和反偏压下,禁带宽度越小,载流子通过隧道效应穿过禁带的概率越大,因而反向电流也越大。

图 2 IS～B关系曲线

通过比较发现：Si基二极管的 IS随磁感应强度几乎保持在约 17 nA,Ge基二极管 Is随磁场增强而呈现下降趋势,从 1 050 nA降到 900 nA,IS下降幅度达到 150 nA左右。可见,前者的反向饱和电流几乎不受磁场的影响,而 Ge基二极管不同,其 IS变化明显。这主要与两种半导体材料的载流子的迁移率不同有关,下面进行具体的理论[4]解释：

当磁场与外加电场垂直时,载流子做弧形运动,因而散射概率增大,平均自由时间减小,迁移率下降。本文的理论分析及模型建立主要根据R.N.Zitter[5]的分析结论和二极管的反向饱和电流方程进行。在磁感应强度 B下的载流子迁移率 μB和扩散系数 DB被修正[5-6]为式(1)：

其中,μ0和 D0分别为零磁场下的载流子迁移率和扩散系数。二极管在零磁场下的反向饱和电流 IS0的方程如式(2)：

将 μB和 DB代入(2),并且利用恒磁场下的饱和电流密度 Is为：

鉴于所测试二极管为 n+-p结,利用简化的单边突变结模型,主要 p型衬底一侧的电流起到了主要作用,电子电流占优势,且 Si、Ge两种材料中电子迁移率比空穴迁移率大得多,根据式(3),与电子的饱和电流密度的变化相比,空穴的迁移率几乎没有改变[7-8],可以认为空穴的饱和电流密度近似是个常数。磁场下总的饱和电流密度即电子电流密度,则磁场下总的反向饱和电流密度 IS可近似为式(4)：

300 K时,Si材料电子迁移率为 1 350 cm2/(V◦s),Ge的电子迁移率为 3 900 cm2/(V◦s)。图 3是理论计算曲线和实验测试曲线的对比。从图 3可见,器件在弱磁场(B＜1 T)中,实验测试曲线与理论模型曲线符合地较好,实验数据很好的验证了理论模型。

当磁感应强度继续增大(B＞1 T)时,实验测试曲线与理论计算曲线符合程度降低,二者出现明显差异。主要原因为：理论模型所引用的 R.N.Zitter的结论中假定的横向磁阻系数 ξ=1,而实际的横向磁阻系数与载流子的速度的统计分布,即载流子的速度和寿命有关[4,9]。当 B＞1 T时,考虑长声学波散射或电离杂质散射,一般情况下ξ＜1,导致理论值较实验值较小。

图 3 IS～B的实验曲线与理论模拟曲线比较

同时,因为 Ge的电子迁移率约为 Si的 3倍,在同样的磁场下,Ge基二极管载流子迁移率受到影响更为显著,因此,Ge基二极管的反向饱和电流 IS随磁场强度增大下幅降较 Si基二极管的更快[9-10]。

鉴于电磁铁的最大中心磁场强度限制,我们无法测试强磁场(B＞5 T)下二极管的工作特性。但是仍然有必要通过以上理论模型,模拟强磁场下Si、Ge基二极管反向饱和电流 IS随磁感应强度 B的变化[11-12]。结果如图 4所示。

图 4 强磁场中理论模拟 IS～B关系曲线的理论模拟

可见,在 B≥5T的强磁场的范畴,IS达到饱和状态,因为在强磁场下半导体器件的电阻率随磁场的增大逐渐趋于饱和[13]。

2.2 正向 I-V特性的影响

在分别为 0 T、0.5 T、1 T、1.5 T、2 T的恒磁场下,二极管 1N4007、2AK10的正向 I-V特性曲线如图 5所示。

图 5 磁场B=0,0.5,1,1.5,2 T.时正向伏安特性曲线

根据式(5)所示理想二极管 I-V特性方程：

其中 IF为二极管正向电流,T为温度,V是正向偏压。则正向电流由此场所引起的变化如式(6)所示：

其中,反向饱和电流 IS的变化量为 ΔIS=|IS0-IS|。因为 Si基二极管反向饱和电流 IS基本不受磁场的影响,所以,1N4007的正向 I-V特性不随外加磁场发生变化。而 Ge基二极管的反向饱和电流 IS随磁场强度增大有明显下降,当正向偏压约等于0.25 V时可以观测到正向电流出现明显的波动。

3 结论

通过实验可以得出结论：B＜2T的恒磁场对 Si基二极管的正向 I-V特性的没有影响,对其反响饱和电流影响很微弱。Ge基二极管的工作特性对磁场的变化比较敏感,实验中可以观测到其正向和反向 I-V特性随磁场的明显的变化。因此 Si基系列器件可以在小于 2 T的恒磁场内正常工作,而在磁场中使用 Ge基系列器件,应采取适当的磁场屏蔽措施。

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