Введение к работе
Актуальность работы. Расширение сферы применения приборов полупроводниковой электроники требует для их разработки привлечения физики сложных динамических процессов. Это, в свою очередь, делает необходимым выработку новых подходов, конструктивных методов исследования ряда концептуально сложных явлений. Классическим представителем таковых могут служить микроп; .змы и микроплазменные токовые явления в р-п-переходах. Наряду с эффектами локализации лавинного пробоя возникает необходимость учета свойств динамичности, стохастичности и связанности процесса формирования тока в образующихся токовых каналах - микроплазмах(МП) р-п-перехода. Развитие феноменологических представлений,введенных в физику МП в 50-60-х годах, частично нашло отражение в практике расчета приборов силовой и высоковольтной техники,создании приборов специального назначения, генераторов шумов и др. Однако в целом проблема микроплазм не получила еще конструктивного разрешения, а противоречивость данных и модельных трактовок сохранилась, что и заставляет обратиться к основам МП процесса.
Фундаментом МП представлений до настоящего времени служит модель включения и выключения МП тока, основанная на элементах теории марковских стационарных процессов, сводящаяся к модели стационарного пуассоновского двоичного процесса. Несмотря на имеющиеся противоречия физических данных с этой моделью, определяющейся средними величинами параметров пульсаций, разработка более полной и конструктивной модели, используюш?й законы распределений флуктуации амплитуд,временных параметров МП токового процесса не получила обоснования и необходимого развития.
Целью работы является исследование флуктуации тока микроплазм р-п-переходов и определение закономерностей его развития. Работа выполнялась в при.-.мнении к ф.:зике лавинного пробоя р-п-переходов.
Объектами исследования служили диодные р-п-структуры трех типов* 2 высоковольтных на кремнии с напряжением пробоя МП ~Vh— (1,2*1,8).10 В (как промышленного изготовления, так и специально изготовленные с "инициированными" микроплазмами, полу-
_ 4 -
ченными с использованием нейтронного облучения), а также низковольтные -1С -25-503 карбид-кремниевые (оН-Л'С), выращенные эпитаксиальным методом на ориентированных параллельно гексагональной оси С -Л* С - 6Н подложках.
Задачи, решаемые в работе: ~ анализ основных моделей и характеристик, используемых при описании токового процесса в МП р-п-переходов;
разработка методики и аппаратурно-программного комплекса статистических исследований амплитудно-временных флуктуации тока;
исследование токового процесса в отдельных МП р~п-перехо-дов на кремнии к карбиде кремния с выделением функционально значимых параметров и характеристик, ответственных за динамические свойства процесса;
обобщение результатов исследования с целью формирования представлений о динамике связей в микроплазменной токовой системе.
Научная новизна. В диссертации впервые проведены исследования динамики флуктуации параметров случайного тока МП в высоковольтных кремниевых и низковольтных карбид-кремниевых р-п-переходах, причем исследования МП в карбиде кремния представлены впервые.
I. Разработана новая методика исследования, основанная на временном статистическом анализе одновременно регистрируемых параметров пульсаций тока в единых условиях эксперимента. В качестве критериев оценки свойств МП процесса выбраны функциональные параметры-характеристики: функции плотностей распределения параметров пульсаций во времени, а также временные корреляционные функции связи между параметрами.
Z. Впервые установлена неадекватность марковского приближения, используемого в теории МП -, реальным свойствам процесса и, в частности, модели стационарного пуассоновского двоичного токового сигнала (СДС). Представлено возможное физическое обоснование полученных свойств МП процесса.
3. Впервые проведено с поставление скоростных свойств процесса генерации импульсов тока в МП " на Si и Si С . Определено сходство общих функциональных изменений флуктуационных ' процессов и различие при изменении температуры.
-
Впервые показана динамика стохастических связей (корреляций) в формировании проводящих свойств МП токовой системы. Указано на наличие связанных механизмов, формирующих включение и выключение МП тока.
-
Приведено эквивалентное представление МП системы с учетом динамики положительной (статистической) обратной связи по току и обобщающее как ранее полученные, так и новые данные.
Практическая ценность работы.
-
Разработана новая установка исследования Ш и МП токовых пульсаций - АКЇ.ІИ (аппаратурно-программный комплекс МП исследований), включающая новые модули КАМАК и широкое программное обеспечение алгоритмов исследований. Комплекс монет быть применен в приборостроении, <з также других отраслях народного хозяйства при проведении исследовательских работ по изучению нестационарных импульсных процессов, в особенности при изменении значений параметров в широких пределах.
-
Полученные воспроизводимые и удобные в использовании характеристики - признаки МП токового процесса и оценки временных корреляционных связей могут быть применены при диагностике микроплазменного пробоя р-п-переходов, с учетом их чувствительности к технологии создания структур, и непосредственно при создании шумовых генераторов с заданными свойствами.
-
Результаты исследований, а таюке предложенный способ определения температурного коэффициента напряжения лавинного пробоя могут быть полезны при создании более совершенных полупроводниковых приборов.
Научные положения, выносимые на защиту:
I. Динамика флуктуации микроплазменного тока в р-п-перехо-дах не предстазима моделью пуассоновского случайного процесса; используемые в практике исследований функции включения Pqt и выключения Pjq, справедливые для марковских процессов, не отражают свойств микроплазмы как динамической системы. Необходимо изучение распределений всех параметров микроплазменного процесса в текущем времени и одинаковых условиях эксперимента.
Z. Процесс генерации микроплазменных импульсов является неоднородным во всей области нестабильности & V и нестационар-
- б -
утл при каждом значении напряжения ~V(La~T , гязделяясь на область гаыения (??-+ /w& > -ґі~>Т:/^и ) при У* Т и область саморазвития V>"v ( Z" --»» ^МАХС , 1^ -г і/махс )|Гґє напряжению У= ~1 соответствует максимальное число импульсов тока отдельной микроплазмы при данной температуре.
-
Изменение состояний микроплазменного процесса пропля-ется в трансформации законов распределения коррелированных параметров пульсаций и характеризуется: при неизменных условиях (напряжении и температуре) - модальным распределением амплитуд флуктуации тока Xf , модальным (а не экспоненциальным) распределением длительности импульсов Г^ , близким к экспоненциальному (с переменным средним значением) распределением пауз Z~a , модальным распределением суммарной длительности импульсов и пауз Tj = 2у -t-T0 ; при изменении условий - совместной нелинейной трансформацией всех распределений, приводящей к вырождению случайного процесса в постоянный ток в конце области нестабильности.
-
В 6H-S/C р-п-структурах в отличие от Si высоковольтных структур, скорость генерации микроплазменных импульсов тока в области насыщения числа импульсов (при Y~cz "l ) и комнатных температурах (ТсгЗООК) в 4-Ю раз выше, а амплитуда в 1,5-3 раза выше, что коррелирует с большей напряженностью поля и меньшим пролетным временем ОПЗ р-я-перехода.
-
Микроплазму в р-п-переходе можно представить стохастической динамической системой с положительной обратной связью по току, вырождающуюся с ростом напряжения Тє./уТ в канал активной проводимости.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы в быстродействующих силовых приборах" (Таллин, 1982г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной преобразовательной технике" (Москва,1986г.); У Всесоюзном семинаре "Проблемы ядерного легирования полупроводников" (Обнинск, 1987г.); У Всесоюзной конференции по флук-туацнонным явленням б физических системах (Вильнюс-Паланга,
1986г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Шумовые и де-градационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва-Черноголовка, 1990г.); III Международной конференции "Аморфный и кристаллический JiC ", ICACSC90 (СІМ, Вашингтон, 199Сг.) и на научных семинарах в ФГИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР.
Публикации. Основные результаты отражены в II публикациях, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 55 рисунков, 4 таблицы, объем текста 158 страниц, библиография - 107 наименований, общий объем с учетом программ - 256 страниц.
