Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Неустойчивость тока в многослойных твердотельных структурах 12
1.1 Динамические неоднородности электрического тока в неоднородных твердотельных структурах 12
1.2 Условия возникновения неустойчивости тока в твердотельных структурах 18
1.3 Поверхностно - барьерная и рекомбинационная неустойчивость тока 22
1.4 Неустойчивость тока в твердотельных структурах с распределенным эмиттерным переходом. 27
Глава 2. Методика исследования неустойчивости тока в многослойных твердотельных структурах 33
2.1 Элементы на основе многослойных структур с инжекционной неустойчивостью 33
2.2 Изготовление элементов многослойных структур 36
2.3 Методика исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств 40
Глава 3. Экспериментальное исследование эле и фотоэлектрических характеристик структур с распределенным эмиттерным переходом 47
3.1 Статические и импульсные вольтамперные характеристики структур 47
3.2 Фотоэлектрические свойства структур с распределенным эмиттерным переходом 73
3.3 Температурные характеристики Туннелистора и Биспина 76
3.4 Исследование полного дифференциального сопротивления структур с распределенным эмиттерным переходом от напряжения на активном контакте 81
Глава 4. Феноменологическая модель процессов неустойчивости электрического тока в многослойных структурах 92
4.1 Уравнения, описывающие неравновесные процессы в структуре с распределенным эмиттерным переходом 92
4.2 Уравнение полной динамической системы для многослойных структур 111
4.3 Анализ СРП структуры как полной динамической системы 116
4.4 Численное решение динамических уравнений колебательной системы 123
Глава 5. Использование неустойчивости тока для создания приборов функциональной электроники 134
5.1 Функциональные приборы на основе структур с распределенным эмиттерным переходом ... 134
Заключение 150
Литература 152
- Условия возникновения неустойчивости тока в твердотельных структурах
- Изготовление элементов многослойных структур
- Фотоэлектрические свойства структур с распределенным эмиттерным переходом
- Уравнение полной динамической системы для многослойных структур
Введение к работе
Широкое проникновение новейших достижений радиоэлектроники в технику обработки информации, системы автоматизации и робототехники является характерной чертой происходящего в обществе научно-технического прогресса. Поэтому понятен большой интерес к вопросам развития радиоэлектроники и ее влияния на развитие общества и государства [1-5].
Современная электроника, являясь основным средством обработки информации, развивается по двум главным направлениям: интегральной электроники или микроэлектроники, и функциональной электроники [6]. Основные тенденции развития микроэлектроники обусловлены идеологией больших и сверхбольших интегральных схем и осуществляются в направлении освоения субнаносекундных интервалов времени и субмикронных размеров компонентов сверхвысоких уровней интеграции. Эти достижения, реализующиеся на основе транзисторной схемо - и системотехники, используют классические методы схемной радиотехники, теории электрических цепей и основаны на принципе технологической интеграции статических неоднородностей - потенциальных барьеров, к которым относятся легированные разными примесями полупроводниковые области активных компонентов интегральных схем (диодов, транзисторов), металлические и диэлектрические участки кристалла [7-9].
Разработчики интегральных схем первого направления [6, 8] активно ищут способы преодоления "тирании количества", способы обхода технологических и физических барьеров. С этой целью разрабатываются вертикальные структуры, в которых стараются разместить максимум элементов в минимальном пространстве. Активные и пассивные элементы схемы размещаются в объеме, и интегральная схема становится трехмерной.
Второе направление основано на полном отказе от понятия классических схемных элементов и непосредственном использовании физических явлений в твердом теле, связанных с кинетическими, квантовыми, механическими,
тепловыми, излучательными и магнитными эффектами, а также явлений в жидких средах, связанных с электрохимическими процессами, для выполнения функций сложных электронных систем.
Эти явления являются физической основой функциональной электроники. Интеграция в функциональной электронике - параметрическая, интегрируются функции преобразования, что исключает схемотехнический принцип их формирования, а следовательно, компонентную и элементную их интеграцию. Физические процессы и явления, происходящие в твердом теле, используются для моделирования функций передачи и преобразования, определяемых алгоритмами обработки массивов информации [6, 10]. Другими словами, функциональная электроника основана не на схемной радиотехнике с использованием статических неоднородностей (потенциальных барьеров) и технологической интеграции, характеризующих интегральную электронику, а на физических принципах интеграции динамических неоднородностей (электрические и магнитные домены, магнитные вихри, волны деформации, зарядовые пакеты и др.), возникающих в процессе эксплуатации электронной системы. Известно большое количество динамических неоднородностей различной физической природы. Это ансамбли заряженных частиц и квазичастиц (зарядовые пакеты, флуксоны и т.п.), домены (электрические домены, цилиндрические магнитные домены и т.п.), динамические неоднородности волновой природы (поверхностные акустические волны, магнитные статические волны и т.п.). Одним из наиболее известных элементов функциональной электроники основанной на использовании динамической неоднородности является кристалл арсенида галлия, в котором возникают движущиеся домены, проявившиеся в возникновении неустойчивости тока (эффект Ганна) [11,12,13].
Значительный интерес для функциональной электроники представляют физические процессы, связанные с образованием динамических неоднородностей в многослойных структурах. Ранее неустойчивость тока была обнаружена в структурах с реальными контактами металл - полупроводник [14,
15]. Однако, неустойчивость тока наблюдались только при определенных внешних воздействиях, что ограничивало использование эффекта.
Дальнейшие исследования авторов [14, 15] были связаны с изучением физических процессов, приводящих к возникновению обнаруженной поверхностно-барьерной неустойчивости тока [16, 17]. Показано, что особенности процессов в таких структурах связаны с периодическим заполнением поверхностных состояний (ПС) в активном контакте [18-20]. Следует отметить, что в этих работах рассматривают твердотельные структуры только с металл-тунельно прозрачный окисел полупроводник - контактом, а как показали исследования [21], неустойчивость тока в структуре возникает и в том случае, если в качестве активного контакта использовать п -р-диод, образующий с n-областью р+-п-перехода п+-р-п-транзистор.
В диссертационной работе изучаются твердотельные многослойные структуры отличающиеся: во-первых, сложной структурой коллекторного перехода, площадь которого на несколько порядков меньше площади эмиттерного, во-вторых, усилением тока с а>1 на коллекторном переходе, который далее будем называть активным контактом. В качестве активного контакта может выступать контакт металл-туннельно-прозрачный окисел полупроводник (МТОП-контакт) (Туннелистор) или локальный п+-р- переход (БИСПИН-структура). В исследуемых многослойных структурах протяженность эмиттерного перехода на несколько порядков больше его толщины и размеров активного контакта. Поэтому для отражения указанных геометрических особенностей введен термин распределенный эмиттерный переход.
Следует отметить, что, несмотря на проведенные ранее исследования характеристик многослойных структур с МТОП - контактом [22-24], электрофизические и фотоэлектрические процессы, определяющие их параметры и характеристики, выяснены только в самых общих чертах. Все особенности неустойчивости тока объяснялись периодическим опустошением
%
и заполнением поверхностных состояний. Кроме того было установлено, что на возникновение неустойчивости тока в МТОП структуре влияет накопление в базе неосновных носителей заряда [22, 23]. Динамика накопления носителей заряда и определяющие ее факторы ранее не исследовались.
Представление структуры как динамической колебательной системы проводилось упрощенно, не установлено необходимое условие появления неустойчивости тока (колебаний) в структуре. Детальное моделирование процессов приводящих к неустойчивости тока в структуре выполнялись также в упрощенном виде [24].
Сравнительный анализ общих закономерностей электрофизических свойств МТОП и Биспин структур ранее не проводился. При исследовании функциональных возможностей структур мало внимания уделялось проблемам, связанных с исследованием применения структур с активными и пассивными элементами.
Таким образом, углубление исследования неустойчивости тока в многослойных структурах с активными контактами как в теоретическом, так и практическом аспектах является актуальной задачей.
Цель работы.
Исследование закономерностей возникновения неустойчивости тока в сложных многослойных структурах, вследствие накопления заряда в активном контакте.
Задачи работы:
Провести измерение электрофизических и фотоэлектрических характеристик многослойных структур.
Построить эквивалентную схему многослойных транзисторных структур.
Разработать модель, объясняющую неустойчивость тока в многослойных структурах с активными энергетическими уровнями.
Провести сопоставление теоретических фазовых диаграмм с экспериментальными вольтамперными характеристиками и определить характерные временные параметры процесса неустойчивости.
Провести сравнительный анализ свойств МТОП и Биспин структур.
Исследовать влияние внешних воздействий на характер наблюдаемых колебаний тока в активном контакте структуры.
Проанализировать возможность практического применения структур с распределенным эмиттером.
Научная новизна.
Построена феноменологическая модель и эквивалентная схема многослойных структур в динамическом режиме, учитывающая накопление носителей заряда и туннельный пробой активного контакта.
Впервые проведен сравнительный анализ вольтамперных, частотных, температурных, фотоэлектрических и вольтфарадных характеристик многослойных структур с различным типом активного контакта.
На основе расчета барьерной и дифференциальной емкости распределенного р+-п - перехода для обоих типов структур впервые продемонстрировано влияние процесса накопления неосновных носителей заряда на напряженность электрического поля в области пространственного заряда активного контакта.
Показано, что многослойные структуры с активным контактом являются динамической колебательной системой.
Определены необходимые и достаточные условия возникновения неустойчивости тока в многослойных структурах с активным контактом.
Практическая ценность.
1. Проведен сравнительный анализ структур с различным активным контактом, что позволяет выявить наиболее перспективные области применения структур в зависимости от типа АК.
-, 2. Установлено, что в структуре с МТОП - контактом в режиме
генерации, АК имеет сравнительно большую составляющую обратного тока ір=0,1-г0,8 мА, что обуславливает возможность работы структуры от одного источника питания.
3. Ток протекая ip по распределенному сопротивлению п — слоя
создает на р+-п - переходе автоматическое прямое смещение, поэтому
обратный ток АК Биспина очень мал, и для него требуются два источника
питания: один - для нелинейного контакта, другой - для цепи р+-п - перехода,
* это обуславливает более высокую чувствительность к оптическому излучению
Биспина, чем Туннелистора.
4. Исследованные структуры благодаря своим электрическим и
фотоэлектрическим характеристикам являются перспективными активными
элементами функциональной электроники обладающими следующими
свойствами: малое время отклика на воздействие, многофункциональность,
наличие трех каналов управления, широкий динамический диапазон, один из
каналов гальванически развязан, выходные импульсы напряжения до 10 В
обуславливают хорошее согласование с цифровыми схемами обработки
информации.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Многослойные структуры с активным контактом являются
колебательной системой с единичной степенью свободы, а активный контакт
как элемент структуры - колебательной системой с половинной степенью
% свободы.
2. Наиболее существенной физической закономерностью,
определяющей возникновение колебаний тока является зависимость
напряженности электрического поля области пространственного заряда
активного контакта от концентрации неосновных носителей заряда в базе
структуры, обусловленная геометрией структуры.
-, 3. Одной из причин возникновения неустойчивости тока является
накопление заряда в базе структуры, при этом период колебаний определяется временем заполнения дырками ОПЗ активного контакта, а длительность -временем рекомбинации с избыточными неравновесными электронами.
4. Барьерная емкость р+-п - перехода исследуемых структур
изменяется более 10 раз при изменении потенциала эмиттера на 1В в следствие
периодического накопления заряда в локальном участке ОПЗ перехода, что
дает основание считать многослойные структуры с распределенным эмиттером
^ функциональными структурами с накоплением заряда.
5. Транзисторные слоистые структуры являются перспективными
приборами функциональной электроники со следующими характеристиками:
частота генерации 10" -И0 Гц; чувствительность к оптическому излучению
О Q
10 -J-10 Гц/Вт; чувствительность по току 0,8ч-4 Гц/мкА, по сопротивлению 0,1ч-1000 мкс/кОм, по емкости 0,1ч-1,5 мкс/пФ.
^ Апробация работы.
Основные результаты исследований опубликованы в 11 печатных статьях
и тезисах докладов конференций. Результаты работы докладывались и
обсуждались на следующих конференциях: третья всероссийская научно -
техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы
твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 1996);
четвертая всероссийская научно - техническая конференция с международным
участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и
микроэлектроники» (Дивноморск, 1997); межрегиональная научно-
практическая конференция «Экология Культура Образование» (Сочи, 1997); международный форум по проблемам науки, техники и образования (Москва, 1997); Semiconductor Devise Research Symposium (University of Virginia, 1997); пятая всероссийская научно - техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и
Ь 10
микроэлектроники» (Дивноморск, 1998); первый всероссийский семинар «Моделирование неравновесных систем - 98» (Красноярск, 1998); шестая всероссийская научно - техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 1999); седьмая всероссийская научно - техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 2000).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка. Общий объем работы составляет 161 страницу, включая 56 рисунков и список литературы из 118 наименований.
»
% Глава 1. Неустойчивость тока в многослойных твердотельных
структурах
1.1 Динамические неоднородности электрического тока в неоднородных твердотельных структурах
Традиционная микроэлектроника, как уже подчеркивалось во введении, строится из совокупности схемотехнических ячеек, состоящих из большого количества статических неоднородностей. Совокупность состояний таких статических неоднородностей позволяет генерировать, управлять или хранить «информацию», причем деградация статических неоднородностей немедленно приводит к потерям или сбоям в процессе преобразования информации [6].
Идея использования динамической неоднородности в качестве носителя информации привела к формированию альтернативного пути в развитии микроэлектроники - функциональной электроники, которая основана на физических принципах интеграции динамических неоднородностей (электрические и магнитные домены, магнитные вихри, волны деформации, зарядовые пакеты и др.), возникающих в процессе эксплуатации электронной системы.
Динамическая неоднородность, как известно [25-27], представляет собой
локальный объем на поверхности или внутри среды с отличными от ее
окружения свойствами, которая не имеет внутри себя статических
ж неоднородностей и генерируется в результате определенных физико-
химических процессов. Динамическая неоднородность может быть локализована или перемещаться по рабочему объему континуальной среды в результате взаимодействия с различными физическими полями или динамическими неоднородностями такой же или другой физической природы. Статические неоднородности играют в функциональной электронике лишь вспомогательную роль, чаще всего при вводе и выводе информации.
* 12
В процессе перемещения динамической неоднородности может происходить процесс генерации информации. Деградация динамической неоднородности не приводит, как правило, к потерям и сбоям в процессах обработки информации. Кинетика динамических неоднородностей не вызывает дефектообразования в кристалле, поэтому в принципе устройства функциональной электроники более надежны, чем устройства интегральной электроники.
Использование динамических неоднородностей в приборах по обработке и хранению информации привело к становлению функциональной электроники. Основной тенденцией этого направления является интеграция функциональных возможностей приборов и устройств, а не интеграция числа элементов на кристалле как в микроэлектронике.
Известно большое количество динамических неоднородностей различной физической природы. Это ансамбли заряженных частиц и квазичастиц (зарядовые пакеты, флуксоны и т.п.), домены (электрические домены, цилиндрические домены и т.п.), динамические неоднородности волновой природы (поверхностные акустические волны, магнитные статические волны и т.п.) [25,28].
В зависимости от типа динамических неоднородностей, континуальной среды, той или иной комбинации физических полей или явлений различают направления в функциональной электронике. На рис. 1 приведен классификационный анализ функциональной электроники. Объединяющим признаком является динамическая неоднородность (или их совокупность). По количеству используемых в функциональном приборе динамических неоднородностей изделия функциональной электроники делятся на два поколения. В первом используется один вид динамических неоднородностей в одной континуальной среде. Если используются два или более вида динамических неоднородностей в разных средах, то такие изделия относятся ко второму классу.
Сверхпроводимость
Плазменные явления
Фазовые переходы
Эффекты накопления и переноса заряда
Оптические явления
Эле ктро н-фононные взаимодействия
Магнитные явления
Поверхностные явления и электретный эффект
Явления живой природы
Функциональная электроника
Оптоэлектроника
Акустоэлектроника
Магнитоэлектроника
Биоэлектроника
Квантовая электроника
Диэлектрическая электроника
г -.
| МДП-ИМС I
I ЗУ I
Выпрямители .
' Усилители
I ЗУ '
Интеграторы "Іреобразователи
/
/
I
І I \
/
Оггтроны
Свегодиоды
Фотоприемники и
излучатели
Аналога реле
Голография
Интегральная
оптика
Оптоэлектронные
микросхемы
Резонаторы
Кварцевые
фапьтры
Линии задержки
Преобразователи
Усилители
I ЗУ
I свч-имс !
Полупроводниковая электроника
І7Ґ-.
/ N
Линии задержки
Фильтры
Преобразователи
Генераторы
Усилители
Хемотроника
Rt-irmaii«i,fT»rn.i
Криоэлектроника
Переключатели
Усилители
' Линии задержки
' Приборы на
I эффектах
I Джозефсона
ч _
Преобразователи |
Нейроно- |
подобные .
элементы . Искусственный
интеллект
/
Рисунок 1. Классификация функциональной электроники
^ Важно отметить, что обработка информации в приборах функциональной
электроники происходит в аналоговом виде без перевода аналогового сигнала в цифровой код. При этом обработка информации может осуществляется без ее передачи по проводникам и реализоваться в реальном масштабе времени. Кроме того мир физических явлений и процессов в твердом теле столь богат и разнообразен, что практически любая функция передачи может быть реализована методами функциональной электроники. Например, могут быть реализованы следующие функции высшего порядка: Фурье-преобразования;
^ интегрального преобразования Лапласа, операции свертки; операции
корреляции; автокорреляции; управляемой задержки информационного сигнала; хранения информации, в том числе в виде многобитовых носителей; фильтрации информационного сигнала; когерентного сложения сигналов; деление сигналов; ответвления информационных сигналов; комбинированной обработки информационных сигналов и т. д. В изделиях функциональной электроники могут быть реализованы также элементарные логические функции
типа «И», «ИЛИ», «НЕ» и их более сложные комбинации.
«г
В приборах и устройствах функциональной электроники информационный
массив может быть обработан весь и сразу в одномоментном процессе. При
этом не обязательно использовать последовательную побитовую обработку
двоичной информации. Это эквивалентно случаю предельного
распараллеливания процесса обработки массива информации. Таков
принципиально новый путь, способный обеспечить производительность
порядка 101э оп./с. Так, акустооптический процессор обеспечивает
% производительность 101 -101" оп./с, в то время как специальные микросхемы
быстрого преобразования Фурье — не более 2,5Т0 оп./с. Выигрыш на несколько порядков в производительности вполне существенен.
Анализируя устройства функциональной электроники, можно выделить некоторые элементы, характерные для всех конструкций.
Во всех приборах и изделиях функциональной электроники используются динамические неоднородности различного вида и различной физической
природы. Это первый элемент в предложенной модели прибора функциональной электроники. Так, в акустоэлектронных устройствах используются динамические неоднородности в виде поверхностной акустической волны (ПАВ); в полупроводниковых приборах с зарядовой связью — зарядовые пакеты электронов или дырок; в приборах магнетоэлектроники — магнитостатические волны (МСВ) и т. д.
Все виды динамических неоднородностей генерируют, обрабатывают или хранят информацию в континуальных средах, как правило, в твёрдом теле. Континуальная среда является вторым элементом модели. Вообще говоря, она может иметь любое агрегатное состояние. По своим физико-химическим свойствам среда должна быть достаточно однородной на всём тракте распространения информационного сигнала. Статические неоднородности, имеющиеся на поверхности или внутри континуальной среды, служат только для управления динамическими неоднородностями и не используются для обработки и хранения информации. Динамические неоднородности, обрабатывая информационный сигнал в континуальных средах, не меняют их физико-химических свойств в условиях термодинамического равновесия. В противном случае, динамическая неоднородность может образовать статическую неоднородность, представляющую собой "замороженный" бит информации.
Третьим элементом модели является генератор динамических
неоднородностей, предназначенный для их ввода в канал распространения,
расположенный в континуальной среде. Динамическая неоднородность может
» быть введена в информационный канал в континуальной среде и из-за её
пределов или сгенерирована в этом канале.
Устройство управления динамическими неоднородностями в тракте переноса информационного сигнала или в области его хранения является четвёртым элементом в модели прибора.
Вывод или считывание информации осуществляется с помощью детектора. Это устройство позволяет преобразовать информационный массив, созданный
динамическими неоднородностями, в массив двоичной информации. В этом случае можно использовать хорошо развитые устройства и методы цифровой обработки информации. Детектор является пятым элементом типовой модели.
Примером простейших известных функциональных устройств являются пьезоэлектрические резонаторы, датчики Холла, приборы с отрицательным сопротивлением. Например, в качестве функционального устройства давно применяется резонатор на пьезоэлектрическом кристалле. Этот прибор эквивалентен узлу, содержащему катушку индуктивности, конденсаторы, резисторы и соединительные проводники, хотя в нем невозможно выделить локальные области, эквивалентные элементам обычной схемы [26].
Одним из перспективных направлений функциональной электроники является полупроводниковая функциональная электроника [27-30]. Это направление в функциональной электронике основано на явлениях взаимодействия носителей заряда с полями в полупроводниковых средах, а также изучении возможностей создания изделий функциональной электроники на основе динамических неоднородностей в полупроводниковых континуальных средах. Генерация динамических неоднородностей в полупроводнике осуществляется с помощью различных эффектов, возникающих при наложении физических полей на полупроводниковые структуры.
Наиболее изученными и известными из технической литературы
примерами такой генерации являются формирования доменов в
полупроводнике (эффект Ганна) и формирование зарядовых пакетов при
« переносе заряда вдоль цепочки конденсаторов [11, 31]. Приборы с зарядовой
связью (ПЗС) используются в различных системах для хранения, обработки цифровой и аналоговой информации [32]. Различают цифровые, аналоговые, фоточувствительные ПЗС. Аналоговые и цифровые ПЗС позволяют обрабатывать информацию: аналоговое и цифровое суммирование, деление и усиление сигналов, возможность неразрушающего считывания с необходимыми весовыми коэффициентами, возможность многократного ввода
Щ 17
и вывода зарядовых пакетов.
Наряду с приборами с зарядовой связью, в полупроводниковой функциональной электронике заслуживает внимание направление, основанное на использовании управляемой неустойчивости тока в полупроводниковых структурах, обусловленное перезарядкой примесных центров, контролирующих поверхностный потенциальный барьер, причем наиболее перспективными для функциональных устройств являются процессы, обусловленные появлением управляемой неустойчивости тока в многослойных структурах [15 - 20]. Процессы в таких структурах можно отнести в соответствии с классификацией представленной на рисунке 1, к явлениям накопления и переноса заряда, поверхностным эффектам.
1.2 Условия возникновения неустойчивости тока в твердотельных структурах
Все разновидности наблюдаемых в настоящее время НТ в полупроводниках можно разделить на две большие группы: неустойчивости, возникающие в однородных полупроводниках, поле в которых в условиях квазиравновесия распределено равномерно (объемные неустойчивости) и неустойчивости, возникающие в неоднородных структурах, в которых, даже в условиях квазиравновесия, поле распределено неравномерно: р-п — переходы, р-i-n - переходы, контакт металл-полупроводник, МДП — структуры, транзисторные структуры и транзисторные структуры с распределенным эмиттерным переходом. К объемным неустойчивостям относятся: доменная неустойчивость, частным случаем которой является эффект Ганна, осциллисторный эффект и другие неустойчивости, связанные с плазменными потоками носителей в полупроводнике.
Доменная неустойчивость обусловлена тем, что при больших отклонениях от термодинамического равновесия в однородных структурах возникают области с существенно различными значениями напряженности электрического
. поля - электрические домены. Эти области могут быть как неподвижными —
статические домены, так и движущимися. Тенденция к образованию доменов возникает при наличии на ВАХ отрицательной дифференциальной проводимости (характеристика N - типа). В этом случае электрически однородный при малых полях образец может «расслоиться» на области с разными удельными сопротивлениями, что и является причиной образования доменов [33]. Домены могут не только появляться, но и перемещаться по кристаллу и исчезать. Движущиеся домены приводят к появлению колебаний тока, связанных с процессом исчезновения домена на одном из контактов и формировании нового домена вблизи другого контакта (эффект Ганна) [11].
В ряде случаев неоднородность физических величин развивается не во времени, а в пространстве. В этом случае неустойчивость называется статической. Статические домены возникают на «затравочных» неоднородностях (неоднородность атомов легирующей примеси, структурные дефекты); и при возникновении на характеристике образца дифференциального отрицательного сопротивления «затравочные» неоднородности могут увеличивать свои размеры, и возникает статический домен, который может распространиться на весь образец.
Если на ВАХ образца имеется участок с отрицательным
дифференциальным сопротивлением (S - характеристика), то возникает
тенденция к образованию токовых шнуров представляющих собой
неравномерное распределение тока, при наличии однородного поля в образце.
Шнуры, также как и домены, могут возникать, исчезать, перемещаться по
кристаллу или колебаться около некоторого положения равновесия. Все эти
процессы, связанные с возникновением и разрушением шнура, обуславливают существование в образце колебаний тока колебаний [34-36].
В условиях усиления звука электронным потоком при больших потоках звуковой энергии W, пространственно неоднородным может оказаться не только напряженность электрического поля, но и поток W. Домены такого типа называются звукоэлектрическими. Они также могут быть как статическими, так
и движущимися. Звукоэлектрические домены, так же, как и электрические, могут появляться и исчезать как у электродов, так и на неоднородностях внутри образца. Повторяющийся процесс образования домена, движение его по образцу и исчезновение сопровождается колебаниями тока в цепи.
Современные представления об электрических и звукоэлектрических доменах, токовых шнурах и доменной неустойчивости с детальным анализом механизмов, ответственных за их возникновение, и глубокий всесторонний анализ особенностей неравновесных макроскопических систем детально рассмотрены в работах [37-43].
Вопросам неустойчивости электронно-дырочной плазмы посвящены работы [44-47]. В монографиях обстоятельно проанализированы неустойчивости тока, связанные с дрейфовыми потоками частиц в плазме, и кратко рассмотрены некоторые особенности обширного класса неустойчивостей тока, обусловленных рекомбинацией зарядов в полупроводниках - рекомбинационных неустойчивостей тока.
Рекомбинационные процессы, наиболее полный анализ которых приведен в работе [44], в плазме полупроводников имеют ряд особенностей и зависят от многих факторов. Помимо полевой зависимости вероятности элементарного акта рекомбинации, определяющую роль могут играть зависимость скорости рекомбинации от концентрации носителей заряда и снос рекомбинационных носителей в пространстве. Это делает процесс рекомбинации нелокальным и подключает к нему процессы на контактах, поверхности и объемных неоднородностях полупроводника. Обилие факторов, определяющих рекомбинационные процессы, означает множество степеней свободы для возникновения рекомбинационных неустойчивостей в плазме. Из-за многообразия физических факторов, которые не всегда удается контролировать, рекомбинационные неустойчивости занимают ведущее место среди других видов токовых неустойчивостей, как по количеству, так и по противоречивости объяснений причин их возникновения [48].
К общепринятому мнению можно отнести то, что необходимым условием
существования колебаний является наличие в образцах ловушек, энергетические уровни которых попадают в запрещенную зону полупроводника. Такие уровни либо создаются введением примеси, либо связаны с наличием всевозможных дефектов или поверхностных состояний.
Другим необходимым условием существования колебаний является наличие процессов, приводящих к нарушению квазиравновесного распределения носителей в структуре. Такие процессы могут быть обусловлены: флуктуациями и электрическим полем; электрическим полем и действием излучения; электрическим полем и нагревом образца; сильным электрическим полем; инжекцией из контактов.
В неоднородных структурах быстрые и медленные процессы, приводящие
к разрывным колебаниям, могут быть связанны с периодическим
опустошением и заполнением одних и тех же ловушек, как это впервые было
показано в работах [15, 16, 49]. Модель, основанная на процессе перезарядки
одних и тех же ловушек, привлекается для объяснения колебаний и в других
работах, в которых колебания связываются как с объемными [50-55], так и с щ
поверхностными и контактными эффектами [56-69].
В работах [14-16, 49, 70-74] неустойчивость тока связывается с
периодическим заполнением и опустошением поверхностных состояний, и,
соответственно, периодическим изменением высоты контролирующего ими
поверхностного потенциального барьера. Это позволяет выделить
определенный тип неустойчивости тока - поверхностно-барьерную
неустойчивость тока (ПБНТ). При наличии тока вдоль поверхности релаксация
поверхностного барьера и ПБНТ при определенных условиях могут
наблюдаться на свободной от металла поверхности полупроводника [65, 66]. При движении же носителей перпендикулярно к поверхности, явление ПБНТ наблюдается в контакте металл - полупроводник (КМП).
Реальные КМП представляют собой фактически многофазную неоднородную структуру. Наличие в реальных КМП сложной системы поверхностных уровней, а также тонкой диэлектрической прослойки и области
пространственного заряда, благодаря которым легко достигается нарушение квазиравновесия, и возможность простого непосредственного изменения заполнения уровней внешними воздействиями создают все условия, необходимые для возникновения в них неустойчивости тока. С этой точки зрения является неудивительным тот факт, что «спонтанные» колебания тока впервые наблюдались именно в КМП [14, 15, 75-79].
1.3 Поверхностно - барьерная и рекомбинационная неустойчивость тока
Исследования сильнополевых процессов в контактах металл-полупроводник выявили интересную особенность сильнополевых процессов, заключающуюся в том, что с некоторого определенного значения напряженности поля в них может возникнуть неустойчивость тока [14]. Для объяснения появлений колебаний предложена модель поверхностно-барьерной неустойчивости тока [16]. Особенности процессов в таких структурах связаны с периодическим заполнением и опустошением поверхностных состояний (ПС).
Неустойчивость тока, как показали дальнейшие исследования [15], связана
с периодическим возникновением и развалом статического домена. В работе
приводятся экспериментальные факты исследования неустойчивости тока в
германиевых поверхностно - барьерных переходах и кремниевых МОП
структурах. Проводились измерения ЭДС Холла и распределения потенциала
по образцу в процессе неустойчивости и на различных стадиях ее развития.
* Методом температурной зависимости дифференциального сопротивления и
зависимости дифференциальной емкости от смещения определялись высота барьера и диффузионный потенциал поверхностно - барьерных переходов. Образцы представляли собой пластины германия п-типа (р=2, 10, 25 Ом-см), на нижней пэани котооых создавался омический контакт, а на веохней стоуйным осаждением, напылением серебра или просто прижимом металлического
*
острия к травленой поверхности кристалла, создавался поверхностно -барьерный переход. Для исследования влияния концентрации неосновных носителей на неустойчивость тока исследовались также образцы, содержащие наряду с омическим контактом р-п - переход.
Исследовались также МОП структуры на основе оксидированного кремния п- и р-типа с оксидной пленкой различной толщины.
В результате экспериментальных исследований авторами было установлено, что неустойчивость тока наблюдается во всех поверхностно -барьерных переходах независимо от способа изготовления образцов. Однако на процесс установления неустойчивости существенное влияние оказывает характер обработки поверхности кристалла.
Проведенные исследования позволили авторам сделать вывод, что неустойчивость тока связана с периодическим полным или частичным развалом статического домена, расположенного под металлическим электродом. Остановимся кратко на основных положениях этой модели.
Рассматривая процессы, приводящие к возникновению ПБНТ, необходимо учесть тот факт, что образцы с поверхностно - барьерными переходами уже в условиях квазиравновесия имеют локальную область сильного электрического поля, которую можно формально назвать «статическим доменом». Образование такого домена в приповерхностной области п- германия, как известно, обусловлено наличием акцепторных поверхностных состояний. В связи с гетерогенностью поверхности германия вблизи металлического электрода может существовать несколько пространственно разделенных доменов. При наличии сильного поля, которое легко достигается при подачи обратного импульсного напряжения на поверхностно-барьерный переход, причиной развала домена может быть лавинная и туннельная ионизация поверхностных состояний.
В то же время, если на некотором расстоянии от токового электрода имеется еще один «домен», обусловленный захватом электронов на ПС со сравнительно неглубокими энергетическими уровнями, то развал может быть
связан с ударной ионизацией носителей, участвующих в краевом токе вдоль поверхности кристалла.
Одновременно установлено, что исключительно сильное влияние на процесс возбуждения и параметры колебаний оказывает р-п — переход, расположенный на расстоянии, меньшем диффузионной длины от поверхностно - барьерного перехода. Наличие р-п - перехода приводило к снижению критического напряжения возбуждения колебаний, а период и амплитуда колебаний при этом возрастали. Авторами предложена модель, объясняющая влияние р-п - перехода на ГТБНТ, экстракцией дырок из р-области в приповерхностную область, что подтвердили исследования ЭДС Холла, и, в частности, обнаруженный экспериментально факт перемены его знака.
В заключении следует отметить, что все наблюдаемые закономерности в общих чертах качественно объясняются на основе инжекционно - доменной модели. Так, при небольших напряжениях и заполненных ПС в поверхностно — барьерном переходе существует домен, и ток через образец, претерпевая насыщение, определяется «доменным состоянием». При туннельной ионизации ПС в процессе перехода из доменного в проводящее состояние устойчивыми являются состояния с релаксационными колебаниями, возникающие перед установлением S - характеристики на ВАХ образцов.
Для рассмотрения кинетики неустойчивости тока, авторами предложено кинетическое уравнение описываемых процессов в виде:
" = (Ns-n)Fexp\ -— \-Snn{n0vQxp[-d(Ns -я)2]} (1)
где первый член правой части уравнения (1) описывает туннельную эмиссию с поверстных центров:
_ 44ъ772 1 . -у2
В- , F = — еЕ(2т є,) /г (г\
ЗПеЕ 2 ' к }
Напряженность поля Е в уравнение (1) является функцией п, вид которой
авторами не установлен, однако предложено в первом приближении считать, что Е входит в выражение (1) как параметр, принимающий два значения: Е=Ек при п>0 и Е=Е0 при п=0. Данное приближение позволило авторам сделать вывод, что данное уравнение описывает динамическую систему с половинной степенью свободы, в которой из-за двузначности ее правой части возникают разрывные колебания. Также приводится решение уравнения (1) для первой моды колебаний, что позволило сравнить теоретическую модель с экспериментальными данными.
Следует отметить, что авторами не исследованы процессы, связанные с накоплением неосновных носителей и их рекомбинацией, и как следствие, вся модель требует уточнения.
В работах [80, 81], А.А. Кокин взял за основу модель перезарядки поверхностных состояний и применил ее к анализу неустойчивости тока в МОП - структуре. Здесь рассмотрена модель п-канального МОП — транзистора при наличии поверхностных состояний и без учета разогрева носителей. Предложена линеаризованная система уравнений, из которой получено дисперсионное уравнение, показана возможность возникновения неустойчивости тока. В то же время, в работе нет однозначного ответа о причинах возникновения колебаний (начальный скачок) и процессах их поддерживающих.
Следует отметить, что особенность неустойчивости тока (в частности ПБНТ) состоит в наличии в образцах по крайне мере двух связанных нелинейных электронных подсистем с заметно отличающимися концентрациями и кинетическими характеристиками носителей (подвижность, время жизни и т.п.), т.е. в процессе НТ участвуют не только основные, но и неосновные носители заряда.
Вот почему предложенная А. А. Кокиным простая одномерная модель п -канального МОП-транзистора и исследование условий возникновения неустойчивости тока, связанные только с перезарядкой поверхностных ловушечных состояний носит ограниченный характер, не объясняет всех
происходящих физических явлений.
В работе [82] проводились исследования возникновения отрицательного сопротивления в структурах на основе р-п - перехода в СВЧ поле. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований эффекта возникновения отрицательного дифференциального сопротивления р-п диодных структур при воздействии на них высокого уровня СВЧ мощности. При теоретическом анализе влияния высокого уровня СВЧ мощности на вид ВАХ диода учитывается изменение постоянной составляющей тока, протекающего через р-п вследствие разогрева свободных носителей заряда и детекторного эффекта.
В работе [83] впервые исследована генерация в двухбарьерной резонансно-туннельной структуре на основе гетеропереходов GaAs/AlAs, стабилизированная микрополосковым резонатором. Изготовленные структуры содержат приконтактные слои (спейсеры), препятствующие проникновению примесей в активную часть структуры и улучшающие временные характеристики системы. Для уменьшения сопротивления и емкости микрополосковые контакты (из сплава AuNiGe), связывающие структуру с внешней высокочастотной цепью, изготовлены в планарном исполнении, позволяющем минимизировать время задержки сигнала в области отрицательной дифференциальной проводимости. Обнаружено сложное поведение отрицательной дифференциальной проводимости, обусловленное влиянием пространственного заряда в структурах со слоями - спейсерами [84].
В работе [85] исследовалась токовая неустойчивость в тонких пленках теллурида кадмия. Качественная теория возникновения генерационно -рекомбинационной неустойчивости в тонкопленочных структурах дана в работе [86]. В ней проведена оценка возможности возникновения отрицательного дифференциального сопротивления в симметричных структурах металл - полупроводник - металл с малой толщиной пленки. Предложена модель, позволяющая при первом приближении объяснить природу возникновения данной бистабильности в результате генерационно -
рекомбинационных процессов, протекающих в объеме образца при биполярной инжекции.
Полупроводниковые структуры с активным контактом выполненным в виде п'-р-диод, образующий с п-областью p-n-перехода п+-р-п-транзистор исследовались О.Д. Кнаба с сотрудниками. Установлено, что в структурах возникает неустойчивость тока под действием света или подачи на р - область небольшого тока.
В работе [87] обнаружен эффект фотостимуляции генерации колебаний тока в полупроводниковой структуре. Выявлено, что неустойчивость тока возникает при освещении образцов светом, причем частота наблюдаемых колебаний возрастает с ростом мощности излучения. В работе [88] продолжен анализ инжекционной неустойчивость тока и ее характеристик. Результатом этих исследований явилось создание Биспин —структуры [89].
При этом необходимо отметить, что в работах, посвященных исследованиям Биспина, основное внимание уделено схемотехнике их применения в различных радиоэлектронных устройствах, и в меньшей степени теоретическому обоснованию физических процессов происходящих в них [90].
Это еще раз свидетельствует, что наименее изученными в теории неустойчивости тока являются вопросы влияния неосновных носителей на НТ.
1.4. Неустойчивость тока в твердотельных структурах с распределенным эмиттерным переходом.
Из сказанного выше следует, что существуют многослойные полупроводниковые структуры имеющие активный контакт в виде МТОП -контакт или р -п - перехода, в обоих типах структур возникает неустойчивость тока, в обоих структурах авторами установлено сильное влияние на неустойчивость тока р+-п - перехода. Правомерно предположить, а это следует из идентичности электрических характеристик структур, что ключевую роль в возникновении НТ играет не только активный контакт, но и не в меньшей
степени p'-n - переход. Высказанное предположение, требующее в дальнейшем свое обоснование, позволяет ввести новый термин для обозначения таких структур - структуры с распределенным эмиттеркым переходом (СРП). СРП представляют собой многослойные полупроводниковые структуры, имеющие следующие особенности: во-первых, площадь коллекторного перехода на несколько порядков меньше площади эмиттерного, и, во-вторых, на коллекторном переходе, который далее будем называть активным контактом, существует усиление тока даже в том случае, если структура включена по схеме с общей базой. В качестве активного контакта (АК) может выступать контакт металл-туннельно-прозрачный окисел полупроводник (МТОП-контакт) или локальный п -р- переход, который вместе с п-областью структуры образует транзистор с "оборванной" базой. Оба типа структур представляют собой фактически структуры с распределенным эмиттерным р+-п-переходом и локальным активным контактом с усилением тока.
Исследованиям электрофизических свойств СРП посвящены следующие работы [19-20, 23-24, 91-92], хотя в этих работах понятие СРП не вводится.
В работе [93] структура с СРП рассмотрена как прибор с накоплением заряда, предложена теория накопления заряда в базе и физическая модель СРП для исследования режимов переключения структуры. Исследования процесса накопления неосновных носителей в структуре рассмотрены в работе [94]; установлено, что скорость накопления дырок непостоянна, причем соотношения вкладов экстракции и инжекции в процессе накопления существенно изменяется в течении периода колебания, в тоже время авторы не дают четкого объяснения данного явления.
В работе [95] предложена модель структуры СРП как упрощенной динамической колебательной системы; недостатком данного метода является получение зависимости концентрации электронов во временной области, когда экспериментально измеряются зависимости для тока и напряжения. Исследования проведены только для МТОП-контакта. При анализе структур как динамической колебательной системы не проанализированы условия
скачка, в котором важную роль должны играть процессы накопления неосновных носителей.
Фотоэлектрические свойства многослойных структур СРП рассмотрены в работах [23-24, 90], установлено, что в отличии от обычных транзисторов освещение структуры играет существенную роль на изменение частоты наблюдаемых колебаний. Рассмотрены вопросы применения СРП в оптоэлектронике, в то же время теории, анализирующей влияние освещения на неравновесные процессы в базе не приводится.
Вопросы прикладного применения СРП исследованы в работах [96-97],
авторы предлагают использовать структуру для создания устройств цифровой
измерительной техники и оптоэлектроники. Так в работе [96] рассмотрена
возможность использования структуры с МТОП-контактом в качестве СВЧ-
датчика мощности с частотным выходом. Фотоприемник с частотным
выходным сигналов рассмотрен в работе [97], приведены экспериментальные
данные для фотоприемников выполненных на основе германия и кремния и их
зависимость от исходных конструктивных и технологических параметров СРП. т
Из анализа работ, посвященных применению структур с СРП, следует, что
авторы в своих разработках основывались на полученных экспериментальных
данных, и в меньшей степени на возможности применения структур на основе
внутренних ее свойств.
Из приведенного краткого обзора по многослойным структурам СРП
следует, что ранее свойства и физические процессы изучались либо в структуре
с МТОП-контактом, либо с р+-п-диодом. Выявлены основные
* электрофизические и фотоэлектрические свойства, исследованы основные
процессы происходящие в структуре, в то же время обобщенной теории
физических процессов в структурах СРП, не зависящей от типа АК пока не
предложено, не проводились исследования анализа различия свойств структур
в зависимости от типа АК. Не исследованы процессы накопления неосновных
носителей, которые во многом изменяют процессы в АК, изменяют структуру
домена.
Необходимо при этом отметить, что количество работ, посвященных неустойчивости тока в полупроводниках исчисляется сотнями, однако, работ, посвященных вопросу изучения неустойчивости тока в многослойных с структурах единицы. Имеются модели, объясняющие возникновение неустойчивости тока в СРП, однако до настоящего времени все еще отсутствует систематизация и анализ возникновения неустойчивости тока в СРП. В том числе не проведены исследования возможности использования в функциональной электронике возникающих неустойчивостей тока.
В то же время, как показали исследования Остроумовой А.В. и Рогачева А.А., в кремниевом Оже транзисторе, образованном гетеропереходом Al-Si02-n-Si с туннельно тонким слоем окисла возникает высокочастотная неустойчивость, обусловленная появлением S и N характеристик в коллекторной цепи, которая связывается с туннельной инжекцией из металла в полупроводник [98, 99]. Как считают авторы, предельная частота
возникновения колебаний может быть доведена до 10'ЧКГ Гц. Все это подтверждает перспективность для электроники кремниевых структур с туннельно - прозрачным окислом и необходимость исследования таких структур.
Поскольку во всех рассмотренных работах, посвященных наблюдаемой неустойчивости тока наблюдались «спонтанные» колебания, возникающие без подключения к структурам внешнего колебательного контура, частота которых не соответствует резонансу внешней цепи, наличие ОС или ОП на статической ВАХ является недостаточным условием существования колебаний. В образце должны существовать процессы, способные быстро вывести систему из состояния равновесия и медленно вернуть ее в состояние равновесия (или же наоборот, медленно вывести и быстро вернуть).
Реальные структуры СРП представляют собой фактически многофазную неоднородную структуру. Наличие в реальных СРП сложной системы уровней, а также потенциального барьера и области пространственного заряда,
благодаря которым достигается нарушение квазиравновесия, возможность простого непосредственного изменения заполнения уровней внешними воздействиями создает все условия, необходимые для возникновения в них генерационно- рекомбинационной неустойчивости тока. В такой сложной неоднородной системе, как многослойная структура СРП в неравновесных условиях возможно существование нескольких различных каналов, приводящих к изменению концентрации носителей, определяющих ток через активный контакт. Наиболее эффективный метод изменения концентрации носителей связан с неравновесными процессами, которые вызывают изменение концентрации под активным контактом в п - области контролирующих барьер в СРП. Таким процессом в структурах СРП может являться процесс накопления заряда, однако, как уже отмечалось выше, неравновесные процессы, вызывающие изменение концентрации неосновных носителей, исследовались отдельно от остальных процессов, не выявив четкой зависимости между характеристиками процесса накопления и возникновением неустойчивости тока и параметрами колебаний. Ранее предпринимались попытки моделирования структур с СРП как динамической колебательной системы, однако в условиях возникновения и поддержки колебаний не учитывалась роль неосновных носителей.
ВЫВОДЫ
1. Значительный интерес для функциональной полупроводниковой
электроники представляют многослойные полупроводниковые структуры,
обладающие сложной системой энергетических уровней, создающих условия
для возникновения рекомбинационно - инжекционной неустойчивости тока.
При этом возникновение неустойчивости тока детально рассмотрено в диодных
и транзисторных структурах, а по неустойчивостям тока в многослойных
структурах вопрос является менее изученным и требует углубленного
теоретического и экспериментального исследования.
2. Исследуемые многослойные структуры имеют следующие
отличительные признаки. Во-первых, наличие распределенного р -п — перехода и активного контакта, площадь которого много меньше площади распределенного перехода. Во-вторых, на активном контакте возникает инжекционная неустойчивость тока. Следует отметить, что до сих пор сравнительный анализ физических свойств многослойных структур от типа активного контакта не проведен, необходимо построить эквивалентную схему многослойных структур, не зависящую от типа активного контакта.
3. Анализ работ, посвященных структурам с распределенным переходом
показывает, что ключевую роль в физике многослойных структур играют
неравновесные процессы. Однако модель, объясняющая наблюдаемые
особенности токопереноса в этих структурах, не построена, не выяснена связь
кинетики носителей заряда с геометрией структуры.
4. Несмотря на большое количество примеров практического
использования функциональных устройств, необходимо заметить, что вопрос
реализации функциональных устройств на основе многослойных структур
остается открытым, и требует своего уточнения и дополнения.
Условия возникновения неустойчивости тока в твердотельных структурах
Все разновидности наблюдаемых в настоящее время НТ в полупроводниках можно разделить на две большие группы: неустойчивости, возникающие в однородных полупроводниках, поле в которых в условиях квазиравновесия распределено равномерно (объемные неустойчивости) и неустойчивости, возникающие в неоднородных структурах, в которых, даже в условиях квазиравновесия, поле распределено неравномерно: р-п — переходы, р-i-n - переходы, контакт металл-полупроводник, МДП — структуры, транзисторные структуры и транзисторные структуры с распределенным эмиттерным переходом. К объемным неустойчивостям относятся: доменная неустойчивость, частным случаем которой является эффект Ганна, осциллисторный эффект и другие неустойчивости, связанные с плазменными потоками носителей в полупроводнике.
Доменная неустойчивость обусловлена тем, что при больших отклонениях от термодинамического равновесия в однородных структурах возникают области с существенно различными значениями напряженности электрического . поля - электрические домены. Эти области могут быть как неподвижными — статические домены, так и движущимися. Тенденция к образованию доменов возникает при наличии на ВАХ отрицательной дифференциальной проводимости (характеристика N - типа). В этом случае электрически однородный при малых полях образец может «расслоиться» на области с разными удельными сопротивлениями, что и является причиной образования доменов [33]. Домены могут не только появляться, но и перемещаться по кристаллу и исчезать. Движущиеся домены приводят к появлению колебаний тока, связанных с процессом исчезновения домена на одном из контактов и формировании нового домена вблизи другого контакта (эффект Ганна) [11].
В ряде случаев неоднородность физических величин развивается не во времени, а в пространстве. В этом случае неустойчивость называется статической. Статические домены возникают на «затравочных» неоднородностях (неоднородность атомов легирующей примеси, структурные дефекты); и при возникновении на характеристике образца дифференциального отрицательного сопротивления «затравочные» неоднородности могут увеличивать свои размеры, и возникает статический домен, который может распространиться на весь образец.
Если на ВАХ образца имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (S - характеристика), то возникает тенденция к образованию токовых шнуров представляющих собой неравномерное распределение тока, при наличии однородного поля в образце. Шнуры, также как и домены, могут возникать, исчезать, перемещаться по кристаллу или колебаться около некоторого положения равновесия. Все эти процессы, связанные с возникновением и разрушением шнура, обуславливают существование в образце колебаний тока колебаний [34-36]. В условиях усиления звука электронным потоком при больших потоках звуковой энергии W, пространственно неоднородным может оказаться не только напряженность электрического поля, но и поток W. Домены такого типа называются звукоэлектрическими. Они также могут быть как статическими, так и движущимися. Звукоэлектрические домены, так же, как и электрические, могут появляться и исчезать как у электродов, так и на неоднородностях внутри образца. Повторяющийся процесс образования домена, движение его по образцу и исчезновение сопровождается колебаниями тока в цепи.
Современные представления об электрических и звукоэлектрических доменах, токовых шнурах и доменной неустойчивости с детальным анализом механизмов, ответственных за их возникновение, и глубокий всесторонний анализ особенностей неравновесных макроскопических систем детально рассмотрены в работах [37-43].
Вопросам неустойчивости электронно-дырочной плазмы посвящены работы [44-47]. В монографиях обстоятельно проанализированы неустойчивости тока, связанные с дрейфовыми потоками частиц в плазме, и кратко рассмотрены некоторые особенности обширного класса неустойчивостей тока, обусловленных рекомбинацией зарядов в полупроводниках - рекомбинационных неустойчивостей тока.
Рекомбинационные процессы, наиболее полный анализ которых приведен в работе [44], в плазме полупроводников имеют ряд особенностей и зависят от многих факторов. Помимо полевой зависимости вероятности элементарного акта рекомбинации, определяющую роль могут играть зависимость скорости рекомбинации от концентрации носителей заряда и снос рекомбинационных носителей в пространстве. Это делает процесс рекомбинации нелокальным и подключает к нему процессы на контактах, поверхности и объемных неоднородностях полупроводника. Обилие факторов, определяющих рекомбинационные процессы, означает множество степеней свободы для возникновения рекомбинационных неустойчивостей в плазме. Из-за многообразия физических факторов, которые не всегда удается контролировать, рекомбинационные неустойчивости занимают ведущее место среди других видов токовых неустойчивостей, как по количеству, так и по противоречивости объяснений причин их возникновения [48].
К общепринятому мнению можно отнести то, что необходимым условием существования колебаний является наличие в образцах ловушек, энергетические уровни которых попадают в запрещенную зону полупроводника. Такие уровни либо создаются введением примеси, либо связаны с наличием всевозможных дефектов или поверхностных состояний.
Другим необходимым условием существования колебаний является наличие процессов, приводящих к нарушению квазиравновесного распределения носителей в структуре. Такие процессы могут быть обусловлены: флуктуациями и электрическим полем; электрическим полем и действием излучения; электрическим полем и нагревом образца; сильным электрическим полем; инжекцией из контактов. В неоднородных структурах быстрые и медленные процессы, приводящие к разрывным колебаниям, могут быть связанны с периодическим опустошением и заполнением одних и тех же ловушек, как это впервые было показано в работах [15, 16, 49]. Модель, основанная на процессе перезарядки одних и тех же ловушек, привлекается для объяснения колебаний и в других работах, в которых колебания связываются как с объемными [50-55], так и с щ поверхностными и контактными эффектами [56-69]. В работах [14-16, 49, 70-74] неустойчивость тока связывается с периодическим заполнением и опустошением поверхностных состояний, и, соответственно, периодическим изменением высоты контролирующего ими поверхностного потенциального барьера. Это позволяет выделить определенный тип неустойчивости тока - поверхностно-барьерную неустойчивость тока (ПБНТ). При наличии тока вдоль поверхности релаксация поверхностного барьера и ПБНТ при определенных условиях могут наблюдаться на свободной от металла поверхности полупроводника [65, 66]. При движении же носителей перпендикулярно к поверхности, явление ПБНТ наблюдается в контакте металл - полупроводник (КМП).
Изготовление элементов многослойных структур
БИСПИН - структуры создавались на основе кремниевых эпитаксиальных структурах с распределенным р -п - переходом и встроенным локальным п+-р-п -транзистором [21]. Причем, выполнялись следующие условия: - на сильно легируемой подложке (р - область) выращивается эпитаксиальный, относительно высокоомный п — слой; на п - слое формируется два контакта, один из которых нелинейный; - расстояние между контактами значительно больше диффузионной длины носителей заряда, а толщина п - слоя значительно меньше ее и составляет 5-15 мкм. Приборы имели рамочную конструкцию и изготовлялись в виде фотоприемников либо оптопар с кристаллами Биспина и GaAs ИК светодиода в пластмассовом или металлокерамического корпусе. Второй способ изготовления Биспин приборов основывается на изготовлении приборов на основе пластин легированного бором кремния. После процессов окисления, нанесения фоторезиста и сушки производится первая фотолитография областей разделения. Затем следуют процессы травления окисла, снятия фоторезиста, химическая обработка и разделительная высокотемпературная диффузия бора. Циклы травления окисла, снятие фоторезиста химическая обработка позволяют подготовить пластину к проведению базовой диффузии бора.
База формируется размером 350x350 мкм., глубиной залегания 2,4 мкм., и концентрацией примеси бора 10 см" . Третья фотолитография проводится с целью формирования линейного и нелинейного контакта, с этой целью проводятся операции травления окисла, снятия фоторезиста, химическая обработка, а затем двухстадийная диффузия фосфора. Размер эмиттерных областей составляет 150x90 мкм, глубина залегания 1,1 мкм и концентрация примесей 1020см"3. Затем пластина готовится к процессу формирования контактных окон и с этой целью проводится четвертая фотолитография. В очередном цикле технологических процессов предусмотрено травление окисла, снятие фоторезиста, химическая обработка перед процессом металлизации алюминием.
Пятая фотолитография проводится с целью формирования металлических контактов к линейному, нелинейному и базовому контактам. После этого следуют циклы химической обработки, и последняя шестая фотолитография. Очередные циклы травления, снятие фоторезиста, химическая обработка и термообработка при 300 градусах. После проверки В АХ проводится термокомпресионная обработка. Пластины омываются, скрайбируются и развариваются в корпуса. Процессы травления алюминия, снятие фоторезиста, химическая обработка предваряют процесс вжигания алюминиевых токопроводящих дорожек Контакты имеют размеры 50x100 мкм., и их удельное сопротивление составляет 2 Ом/м.
Туннелистор изготовлялся из германия или кремния [17, 97]. Исходным материалом для германиевых образцов служили заготовки для германиевых транзисторов, которые представляют собой полупроводник п - типа диаметром 6 мм и толщиной 0,2 мм с удельным сопротивлением 10 Ом/см. На полупроводниковой пластине создавался омический контакт в виде кольца с отводом и сплавной р+-п - переход диаметром 3,5 мм, изготовленный вплавлением индия.
Травление образцов германия проводилось в кипящей перекиси водорода в течение 5-10 минут. Для травления германия и кремния использовались также кислотные травители, состоящие из смеси азотной, плавиковой и уксусной кислот в различных пропорциях.
Омические контакты к кремнию создавались методом сплавления. Для омического контакта к кремнию р - типа применялся алюминий, а также сплавы и механические смеси на его основе. Для омических контактов с п -типа кремния использовался электродный сплав на основе свинца и олова. Вплавление контактов осуществлялось в вакууме при температуре 600 - 800и С в течении 3-7 минут. Изготовлялось два и более омических контактов на п -области кремния с целью проверки их на «омичность». Контроль осуществлялся по характериографу Л2-56 при двухполярной развертке по линейности вольтамперной характеристики (ВАХ) в рабочем диапазоне токов.
Туннельно - прозрачный окисел толщиной 1,5 - 3,5 нм и регулируемой плотностью ПС на границе раздела окисел - проводник создавался как специально, так и совместно с другими операциями обработки поверхности полупроводника и нанесения металла для МТОП - контакта путем подбора технологических режимов. Специальная обработка поверхности германия заключалась в травлении ее перекисью водорода или СР-4, а затем искусственном или естественном выращиванием окисной пленки посредством выдержки образцов германия в течении 3-7 дней на воздухе при комнатной температуре или в течении 3-8 часов при температуре 60-100 С в сушильном шкафу или в вакууме 10 - 100 минут при температуре 100 - 200 С. Кремниевые образцы подвергались термообработке продолжительностью 5-15 минут в вакууме или в сухом кислороде при температуре 500 - 700 С. В результате, плотность ПС, ответственных за существование неустойчивости тока, например для кремния, можно было регулировать от 5-10 до 8-10 см" , а их энергетическое положение составляло 0,22 - 0,55 эВ от края зоны проводимости. Таким образом, можно было обеспечить существование на ВАХ S и N участков отрицательного дифференциального сопротивления.
МТОП - контакт на поверхности германия изготавливался методом электрохимического осаждения индия, а также термического напыления алюминия, причем МТОП - контакт создавался как напылением через механическую маску, так и при помощи фотолитографии с применением позитивного фоторезистора ФГТ-383. Кроме того, для создания МТОП — контакта применялся токопроводящий клей ЭЧЭ-С, который наносился на поверхность полупроводника. Распределенное сопротивление базы для германиевых образцов в зависимости от взаимного расположения контактов на поверхности образца находилось в пределах 50 - 200 Ом.
Для образцов кремния применялся в основном метод приплавления металла к полупроводнику, позволяющий получать МТОП - контакт с очень стабильной во времени генерацией колебаний. В качестве электродного материала использовались сплавы на основе олова, свинца и кадмия. На поверхности полупроводника размещались несколько навесок электродного сплава, образец нагревался в вакууме до температуры 400 - 600 С и выдерживался в течении нескольких минут для образования МТОП - контакта, толщина окисла в котором контролировалась выбором температуры и длительностью нагрева. Одновременно происходило вплавление омического контакта на р - область кремния. Затем в течении 10-15 минут проводилось снижение температуры образца до комнатной. В результате получался кристалл полупроводника с омическим контактом к р - области, с 2 - 4 омическими контактами на п - области (базы) и с 1 - 15 МТОП - контактами диаметром 0,1 -0,2 мм.
Фотоэлектрические свойства структур с распределенным эмиттерным переходом
Как известно [17, 21], на структуры с распределенным эмиттерным переходом существенное влияние оказывает электромагнитное излучение. Вопросы связанные с взаимодействием структур с распределенным эмиттерным переходом с СВЧ излучением подробно рассмотрены в работах [22, 96], в то же время влияние оптического излучения на характеристики структур рассмотрены не достаточно полно и на этом вопросе следует остановится более подробно.
На основе проведенных исследований установлено, что эффективным способом изменения частоты повторения импульсов, обусловленных неустойчивостью электрического тока, является оптическое излучение в области собственного поглощения. Так, для кремниевых образцов излучение с длиной волны =0,63 мкм и мощностью 0,05 - 2 мВт приводило к изменению частоты следования импульсов в 104 раза [101].
Исследования спектральной чувствительности кремниевых образцов структур с распределенным эмиттерным переходом проводились по методике п.2.3. Установлено, что при отсутствии освещения на всех образцах Туннелистора возникали колебания, в то же время часть образцов Биспин -структуры не генерировало. При наличии освещения во всех образцах возникала неустойчивость электрического тока, причем начальная частота колебаний в образцах изменялась в несколько раз при мощности освещения примерно 10 лк. Максимум чувствительности наблюдался при Л=0,7-0,9 мкм. Кроме того, под воздействием оптического излучения часть образцов работала без внешнего резистора Rp.n, и при этом наблюдалась максимальная чувствительность к свету.
Типичные ВАХ Туннелистора в полулогарифмическом масштабе при различных значениях освещенности представлены на рис.24. Как видно из рисунка 24, с увеличением освещенности постоянная составляющая тока возрастает, а при освещенности 220 люкс наблюдается резкий скачок тока. Такое воздействие на параметры Туннелистора связано с изменением обратного тока р -п — перехода при освещении. Под действием светового потока за счет внутреннего фотоэффекта в обедненном слое р -п — перехода и прилегающей к нему области происходит генерация пар носителей заряда. Поскольку при возбуждении неустойчивости тока р -п — переход находится при обратном смещении, т.е. представляется собой фотодиод, а толщина п - слоя меньше диффузионной длины дырок, то за время своей жизни носители диффундируют к р+-п - переходу и разделяются его полем. В результате ток через р+-п — переход возрастает на величину фототока. Аналогичное воздействие оптическое излучение оказывает и на Биспин — структуру.
В то же время, следует отметить что большой уровень засветки Р0 — порядка единиц милливатт - переводит структуру в ключевой режим, относительно которого имеет гистерезис, т.е. проводящее состояние после срыва генерации продолжает сохранятся при уменьшении засветки до нового уровня Р Р0, при котором генерация возникает снова (аналогично гистерезису возникающему при увеличении напряжения питания). Величина гистерезиса зависит от разности потенциалов на структуре и сопротивлений нагрузки.
Подключение к р+-п - переходу внешнего резистора RP_n оказывает шунтирующее действие на фототок, снижающее чувствительность к оптическому излучению. На рис.25 приведена зависимость критического напряжения возбуждения колебаний от освещенности при различных значениях резистора Rp.n. Исследования зависимости частоты колебаний от внешнего резистора для различных образцов показали, что максимальная частота генерации наблюдается, если значение сопротивления лежит в интервале от 50 кОм до 100 кОм, при этом величину напряжения возбуждения колебаний можно снизить в 2 - 5 раз (максимально для Биспина).
Существенное влияние на чувствительность к оптическому излучению оказывает величина напряжения питания, с увеличением которой чувствительность к свету уменьшается. Это обусловлено тем, что при малых значениях напряжения питания по распределенному сопротивлению текут токи, сравнимые с фототоком, и действие фототока выражено значительно сильнее. С увеличением напряжения питания действие фототока уменьшается, и при определенном значении напряжения питания чувствительность к свету минимальная.
Из проведенных исследований следует: воздействие света на структуры с распределенным эмиттерным переходом позволяет получить неустойчивость электрического тока (колебания) при меньших значениях напряжения питания и управляющего тока; воздействие света позволяет переводить структуры с распределенным эмиттерным переходом из закрытого состояния в режим генерации и из режима генерации в режим насыщения (структура полностью открыта, колебаний не наблюдаются); управление частотой импульсов световым потоком осуществляется в пределах от десятков нановатт до единиц милливатт, при этом крутизна ватт-частотной характеристики составляет 10 — 109 Гц/Вт.
Уравнение полной динамической системы для многослойных структур
Приведенное выше качественное исследование СРП - структуры как динамической системы с половинной степенью свободы и описываемой на фазовой плоскости нелинейным дифференциальным уравнением — = f(m,Ps), dt на примере МТОП - структуры, позволяет получить довольно полную картину неравновесных физических процессов в как МТОП - структур, так и в Биспин структуре. Проведенный анализ позволяет получить зависимости в виде т = /(/), в тоже время экспериментально измеряются зависимости / = /(/), U = fit), где і и U соответственно ток и напряжение. Поэтому для подтверждения выбранной модели физических процессов в многослойных структурах необходимо получение зависимостей вида / = fit), U = fit) для последующего сравнительного анализа с экспериментальными данными, для этого необходимо построить модель структуры и ее эквивалентную схему, основу которых составят параметры и вид вольтамперных характеристиках, с учетом проявляемых особенностей электрофизических процессов в структурах СРП [112]. Рассмотрим электрофизические свойства СРП структур. Проведенные экспериментальные исследования показали, что в режиме нарастания тока в структуре возникает положительная обратная связь по току, охватывающая два источника изменения проводимости. Это является необходимым и достаточным условием возникновения отрицательного дифференциального сопротивления. Из рассмотренных особенностей токопрохождения в структуре следует, что источниками, охваченными положительной обратной связью по току, в случае возникновения ОС, как на динамической, так и на статической ВАХ, являются: 1) увеличение тока через активный контакт за счет туннельного перехода электронов через потенциальный барьер в зону проводимости и связанного с этим увеличением концентрации основных носителей в базе структуры; 2) увеличение тока надбарьерной эмиссии из металла, связанное со снижением высоты барьера. Специфичность тока надбарьерной эмиссии в случае барьера, существующего за счет заполненных глубоких центров, обуславливает существенное отличие сильнополевых процессов в МТОП - структурах от таких процессов в обычных плоскостных р-n-переходах, в которых обратный ток переносится неосновными носителями. Снижение высоты барьера в p-n-переходе не может привести к резкому увеличению тока и одновременному падению напряжения ввиду наличия отрицательной обратной связи, которая препятствует возникновению ОС при сильнополевых процессах, как это детально рассмотрено в монографии [113].
Необходимо отметить, что дополнительным механизмом появления положительной обратной связи по току в цепи активного контакта может служить рассмотренное ранее увеличение с ростом электрического тока через АК концентрации неосновных носителей.
После резкого увеличения тока концентрация основных носителей вблизи АК возрастает, и эффективное время захвата электронов на ПС (для МТОП — структуры) может стать сравнимым со временем их срыва, в результате чего напряжение на МТОП-контакте увеличивается, а ток начинает уменьшаться. В этом случае на ВАХ может появиться участок отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП). Возникновение ОДП на динамических ВАХ структуры обусловлено процессами, приводящими к появлению обратной связи по напряжению, охватывающей два источника изменения проводимости. Проводимость МТОП-контакта уменьшается, во-первых, за счет уменьшения концентрации электронов вблизи контакта, обусловленного захватом их на ПС, и, во-вторых, за счет увеличения высоты барьера, связанного с заполнением ПС. Аналогичные процессы происходят и в Биспин структуре.
Существенную роль в процессах, связанных с появлением положительной обратной связи по напряжению и току, может играть характер зависимости скорости рекомбинации от высоты барьера. Несмотря на то, что в неравновесных условиях характеристическая константа-скорость рекомбинации R не может быть введена, зависимость рекомбинации от величин Ар и п, обусловленная дефицитом носителей того или иного знака, должна сохраниться и в неравновесных условиях. В связи с этим уменьшение р за счет срыва электронов с ПС (или туннельного пробоя в Биспине) приводит к увеличению скорости рекомбинации в активном контакте, что еще больше способствует уменьшению (р и увеличению тока. Когда же начинает преобладать процесс захвата, возрастание ф приводит к уменьшению рекомбинации, что способствует увеличению скорости захвата и ускорению процессов, приводящих к уменьшению тока и возрастанию напряжения. Следует отметить, что отрицательная дифференциальная проводимость в случае рекомбинационной неустойчивости реализуется за счет запаздывания инжекции неравновесных носителей заряда относительно приложенного напряжения, т.е. в общем случае, возникает за счет инерционности отклика системы на возбуждение, что в действительности наблюдается как и МТОП-структуры, так и в Биспин - структуре.
Таким образом, в зависимости от режима работы структуры на динамической ВАХ АК в неравновесных условиях может наблюдаться либо участок S - типа, либо участок N - типа, или же петля гистерезиса, когда участок S - типа как бы замыкается участком N - типа, и в цепи возникают колебания тока и напряжения большой амплитуды.
Процессы, приводящие к различного вида ВАХ, были детально рассмотрены в главе 3. Как известно, приборы, имеющие на ВАХ участок ОДС S - типа обладают индуктивным характером реактивности, а имеющие участок N - типа - емкостным [114]. Поскольку цепь АК в неравновесных условиях может обладать как ОДС, так и ОДП, её эквивалентную схему в рабочем режиме можно представить в виде отрицательного дифференциального сопротивления с последовательно включенной индуктивностью и параллельно включенной емкостью. Следует особо подчеркнуть тот факт, что такие представления, применяемые для построения электрической модели, лишь формально переводят на язык радиотехники закон причинности при протекании физических процессов во времени, как это детально показано в монографии [109]. Применительно к нашему случаю появление индуктивности обусловлено инерционностью установления положительной обратной связи по току, что в свою очередь, связано с инерционностью установления туннельного тока и термоэлектронного тока, а появление емкости обусловлено инерционностью установления обратной связи по напряжению, что связано с инерционностью процесса восстановления барьера в структуре.
Для изображения эквивалентной схемы прибора в активном режиме, необходимо учесть емкости области пространственного заряда АК и р -области структуры. При типичном подключении транзисторной структуры (минус — на АК, плюс - на омический контакт n-области и перемыкание некоторым резистором Rp.n р+-области на омический контакт) цепь р+-п -перехода структуры является пассивной цепью, изменяющей реактивные элементы, а также величину и вид ОДС цепи АК, можно ввести некоторые эффективные значения L, С, R(i, U), учитывающие влияние р+-области на параметры активного контакта и представить эквивалентную схему структуры в виде, изображенном на рис.37.
