Введение к работе
Актуальность работы. Уровень развития современной твёрдотельной электроники определяется прогрессом в создании полупроводниковых материалов с заданными новыми свойствами. Современное развитие микроэлектроники постоянно ставит перед исследователями задачу поиска новых видов полупроводниковых материалов, отличающихся от известных своими уникальными свойствами. В этом плане к наиболее перспективным можно отнести полупроводники, компенсированные примесями, создающими глубокие уровни в запрещённой зоне материала. В частности, кремний.сильно компенсированный примесями,можно рассматривать как отдельный класс полупроводниковых материалов.свойства которых существенно отличаются от свойств слабо компенсированных, нейтронно-трансмутационным легированием или мелкими примесями. Это отличие проявляется, во-первых, в обнаружении в них новых ранее неизвестных физических явления, а том числе неустойчивостей тока различной природы, и во-вторых, в возможности использования этих материалов для создания целого ряда принципиально новых полупроводниковых приборов и устройств.
В настоящее время достаточно хорошо изучены и исследованы
свойства компенсированного кремния.легированного атомами Мп и
Zn. Однако, не очень стабильное состояние этих примесей в решётке
Si не позволяет использовать компенсированные и сильно
компенсированные образцы Si
полупроводниковых приборов со стабильными параметрами, кроме
того физический механизм многих наблюдаемых явлений в
компенсированном полупроводнике до сих пор до конца не выяснен.
Поэтому целесообразна разработка технологии получения новых
компенсированных материалов с другими примесями.создающими
глубокие уровни.которые позволяли бы получить материалы со
стабильными параметрами^ накопить новые экспериментальные
данныедля того чтобы на их основе выяснить физических механизм
наблюдаемых явлений. В этом плане представляет определённый
интерес исследование физических свойств компенсированных и
перекомпенсированных образцов SI, так как, насколько нам
известно в литературе отсутствует систематические исследования
токовых неустойчивостей в компенсированных и
перекомпенсированных образцах Si.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование условий возбуждения и параметров токовых
неустойчивостей в кристаллах кремния,компенсированных серой, в
широком интервале электрических, магнитных полей,
температуры.освещения и давления.выяснение механизмов автоколебаний тока инфранизких и звуковых частот.а также показать некоторые практические возможности использования их в полупроводниковой микроэлектронике.В круг рассматриваемых задач входило получение компенсированного Si с различными удельными сопротивлениями и типами проводимостей.определение оптимального условия возбуждения автоколеба-ний тока инфранизких и звуковых частот. Установление корреляции между параметрами материала.условиями возбуждения и параметрами автоколебаний тока инфранизких и звуковых частот.а также:
исследование температурной и полевой зависимости условий возбуждения и параметров автоколебаний тока в образцах Si,
исследование влияния внешних воздействий: интегрального освещения.магнитного поля.одноосного упругого сжатия на условия возбуждения и параметры автоколебаний тока в образцах Si,
выяснение механизма и создание модели возбуждения автоколебаний тока звуковых и инфранизких частот в образцах Si,
определение некоторых возможностей практического использования автоколебаний тока в Si в полупроводниковой микроэлектронике.
Научная новизна.
1. Впервые обнаружена автоколебания тока типа РВ в образцах Si2. Установлены закономерности изменения основных параметров автоколебания тока в зависимости от удельного сопротивления в Si, которая позволяет получить воспроизводимые и регулярное автоколебания тока с управляемыми параметрами. Показано.что автоколебания наблюдаются для p-Si с удельным сопротивлением 3.102 -105 Ом.см, а для n-Si с р 8.102- 104Ом.см.
3. Экспериментально установлена температурный область существования автоколебания тока в зависимости от параметров материала. Показано.что в отличие от существующих литературних данных в Si можно наблюдать автоколебания в интервале температур 77-350 К.
4. Исследованы влияния поперечного и продольного магнитного поля на условия возбуждения и параметров автоколебаний тока. Показано.что наличие магнитного поля независимо от полярности увеличивается значение порогового поля.т.е.автоколебания тока
наблюдается при более высоких электрических полях. При Т=300 К, наличие Н=20 кЭ, En увеличивается 2 раза , а амплитуда колебания 1к увеличивается 15 раз. Эти данные значительно больше, чем изменение удельное сопротивление в этих образцах при наличии магнитного поля.
5. Впервые исследованы влияния на условия возбуждения и параметры РВ в образцах Si при одноосной упругой деформации. Показано.что с увеличением давлениях в интервале 105-4.109 Па в образцах p-Si пороговое поля уменьшается, а в образцах n-Si возрастает^ амплитуда автоколебаний тока имеет противоположный характер. Установлено, наибольшая чувствительность параметров автоколебаний тока к давлению наблюдается в образцах p-Si с кристаллографическим направлением [111] при условии деформации {1//Х//[111]}.При этом амплитуда автоколебаний в исследованных интервалах деформации увеличивается более чем в 15 раз.а En = 7-8 раз.
6. Впервые показано возможности обнаружения в одном и том же образце различные природы автоколебаний тока типа РВ и ТЭН определена условия перехода от одного типа в другой.
7. Выяснены природы обнаруженных автоколебаний на основе
сопоставления экспериментальных и рассчетных данных, определен
ответственний уровень серы в кремнии за наблюдаемых явлений.
Практическая ценность работы.
1. Разработана технология получения компенсированный и перекомпенсированный кремнии.легированном серой с заданными электрофизическими параметрами.
2. Показано возможности создания (в лабораторных условиях) твердотельных генераторов звуковых частот с управляемыми и воспроизводимыми параметрами на основе Si.
3. Установлено оптимальная технология, создания твердотельных генераторов, а также определена температурная область работы генераторов.
4. Показано возможности создания принципиально нового типа функциональных датчиков магнитного поля,давления амплитуд-ночастотным выходным сигналом на основе Si.чувствительности которых 3-5 раз больше, чем существующих полупроводниковых датчиков.
5. Полученные экспериментальные результаты в настоящее
время широко используется в учебных процессах по курсу "Современ
ные датчиш","Фнзика компенсированных полупроводников",
"Функциональная электроника" а также в лабораториях "Полуп
роводниковых приборов","Функциональной электронике" по
специальности "Электроника и Микроэлектроника","Радиотехника", "Промышленная электроника","Физика технология материалов".
Защищаемые положения :
1. В кремнии р-типа с р>102-Ю50м.см компенсированного серой и перекомпенсированного п-типа с р >102 -104 Ом.см обнаружена регулярные и стабильные автоколебания тока типа РВ с воспроизводимыми параметрами.
2. Существует закономерность изменения между параметрами и условиями возбуждения автоколебания тока с электрическими параметрами компенсированного материала.
3. Автоколебания тока в кремнии, компенсированном серой
возбуждается в интервале температур для р-типа 150-350 К и для п-
типа 230-330 К в зависимости от удельного сопротивления.
4. Обнаружено, что параметры автоколебания тока очень
чувствительно к внешним воздействиям (магнитного
поля.температуры, давления и электрического поля). При этом в этих
условиях чувствительность полупроводниковых материалов
превышает 8-Ю раз.
5. Разработан твердотельный генератор звуковой частоты на основе материала Si с управляемыми параметрами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались - на II Всесоюзной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Ашхабат, 1991г.),
- на научных конференциях профессорско-преподавательского
состава Ташкентского государственного технического университета
им.Беруни и Ташкентского государственного университета им.
М.Улугбека в 1990-1995гг.
- на республиканской научно-практической конференции молодых
ученых и специалистов ("Асад", Ташкент, 1994г),
на международной конференции по микроэлектронике (Ташкент, 1994г),
- на международной конференции "Новые материалы и приборы"
(Ташкент, 1994г),
- на научной конференции "Твердотельная электроника" (Наманган,
1994г),
- а также на семинарах кафедры "Микроэлектроники и
микроэлектронных приборов" ТашГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 статей и 13 тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Основной текст диссертации изложен на 100 страницах машинописного текста, включая Ъ-L рисунков, 6 таблиц и 89 наименований библиографии.