Исследования пространственной стабилизации тока в системе полупроводник - газовый разряд Мухамадиев, Одилжон Солиевич

Введение к работе

-3-.

Актуальность темы. Электрический контакт между тазовым разрядом и полупроводником [1] и в целом электрическая цепь, содержащая такой контакт, представляет собой относительно малоизученный объект. В особенности это касается его электрических, фотоэлектрических и оптических свойств. Между тем применение газового разряда в полупроводниковой технике за последние десятилетия существенно возросло. Общеизвестно, что наибольшие успехи были достигнуты п использовании плазменных контактных процессов, связанных с переносом вещества и химических реакций в газовом разряде в обширной обласні тсхноло-1 ни полупроводникового приборостроения. Наряду с этим интенсивно развивается и другая область применения, в которой газоразрядный зазор с полупроводниковым электродом является непосредственно рабочим элементом прибора, и в нем используются его специфические электрические свойства, при этом химические и другие необратимые процессы на контакте ионизированного газа с полупроводником сведены до. минимума или полностью исключены. Таким прибором является инфракрасный преобразователь изображения ионизационного чипа, предложенный и разработанный в Физико-техническом институте РАН, а также ИК-фотоірафнческая система ионизационного типа. Основным элементом этих приборов является планарная газоразрядная ячейка е узким разрядным зазором (в несколько десятков микрон) с полупроводниковым электродом из фоточувствителъного полупроводникового материала, по чувствительности охватывающая широкий спектральный интервал инфракрасного излучения. Физической основой работы ионизационной системы являются два эффекта, определяющие влияния полупроводникового электрода на и, отекание газового разряда и его свечение. Это, no-первых, эффект пространственной и временной стабилизации газового разряда иолу проводниковым электродом и, во-вторых, эффект управлення НЛО! ностыо тока газового разряда по величине и геометрическому распило-женшо путем модуляции проводимости полупроводника при НП освещении внешним источником.

Первый из эффектов является необходимым, однако, еще недосіч-точным условием работы ячейки в качестве элемент спектральної о np-j-образоваїшя ШС-изображенни м определяет выбор материалов і*

I <

- & -

режимов : используемой ячейке, второй эффект тесно связан с отображающими свойствами ионизационной системы и определяет такую важную характеристику прибора, как динамический диапазон пропорциональной передачи полутонов и изображении и отчасти пространственное разрешение преобразованного изображения. Основным обстоятельством здесь является строгая вертикальность кольт-амперной характеристики газового разряда, то есть нулепое дифференциальное сопротивление разряда в широком интервале плотностей тока.

Трудность изучения аффекта стабилизации разряда в ионизационной системе состояла в том, что в литературе практически полностью отсутствуют данные о разряде в столь узких газовых зазорах (обычный используемый их диапазон начинается с нескольких сантиметров). Тем более отсутствуют данные об использованном здесь распределенном сопротивлении электрода, которым,в частности,и является полупроводниковый электрод.

Две первые главы диссертации посвящены исследованию физических процессов, определяющих работу и свойства плоской газоразрядной ячейки, учитывая, в первую очередь* се особенности, а именно, узость разрядного зазора и полупроводниковую природу материала электрода.

Другая проблема, тесно связанная со стабилизацией и управлением тока газового разряда при модуляции проводимости ее электродов, .состоит в неиспользованных еще в технике научного приборостроения возможностях применения газоразрядного плазменного контакта для материаловедческих целей и дефектоскопии. Действительно, уже в первых работах по ионизационной системе была доказана возможность визуализации в полупроводниковой пластине областей, различающихся по величине темновой проводимости на примере полуизолирующего арсенида галлия, компенсированного хромом. При этом оказалось возможным регистрировать не только недостаточно закомпенсирован-иые области полупроводниковон пластины, но и области с нарушенной регулярностью кристаллической решетки, появившиеся при выращивании кристаллов. Кроме того, обозначилась и возможность выявления областей кристалла с разной величиной неравновесной проводимости, то есть фоточувствительности при равномерном освещении пластины полупроводника.

Однако, круг материалов для исследований такого рода ограничивался только высокоомными кристаллами в узком диапазоне величины

удельного сопротивления. Для расширения обласні материалов как в сторону больших, так и меньших значений электропроводимости требуются существенно иные варианты использования газового разряда.

Цель работы. На основании изложенного была определена следующая цель работы:

1. Экспериментальные исследования стабилизации разряда в широком диапазоне условий (величина разрядного промежутка d, удельное сопротивление полупроводникового электрода р, давление газа р и др.) и определение основных механизмов нарушения стабильности.

1. Исследование особенностей механизма токопрохождення в плоской газоразрядной ячейке с полупроводниковым электродом в случае малых межолектродпых расстояний.

2. Изыскание подходов к проблеме экспериментального определения электрических нсоднородиостей материалов различной природы.

Научная пошиті полученных результатов может быть кратко сформулирована следующим образом:

1. Впервые экспериментально изучена область стабильного горения разряда в ячейке с полупроводниковыми электродами в широком диапазоне величин разрядных зазоров d, давлений і аза р и проводимости материала полупрово;птпка а. Показано, что область стабилизации, представленная п координатах V.pU") (напряжение срыва от давлении), расширяется с уменьшением межэлектродного расстояния, давления і аза и, в определенных пределах, проводимости полупроводника.

2. Установлено, что основным механизмом, приводящим к нарушению стабильности разряда (ионизационного разрядном» юка), является искажение однородное їй ноля, связанное с образованием обьемпых зарядов, и в высокоомпых фоючунетвнтельных полупроводниках в механизме срыва стабильности значительную роль траст модуляции проводимости полупроводника ионизирующими компонентами разряда.

3. Доказано наличие значительной по /тлпчпис авгоэлектронной эмиссии в разрядном промежутке с малыми эпюрами между электродамп, что определяет отлпчпкчи.пые особенносіп газової о разряда в ионизационной епсіемс.

4. ')ьеііерпмсіііальн(> усіаиоюнтіи іавікимосіь пробивної <> напря
жения і а юного разряда В \'ЗКІІ\ UI іорад о| оОк'ШиїНОСІИ ІіОііунроцоіНШ-
коноі о 'шекірода. ()бн,ір\лсніі;і!і огобеншч'П. гняз іна є пнм> >лсю нонпоіі
эмиссией в указанны* \ч 'пччін¹:.

5. Показано, что в газоразрядной ячейке с полупроводниковым элекгродом реализуется своеобразный вид газового разряда, характеризуемый ударной ионизацией на фоне значительного тока автоэлектронной эмиссии.

Практическая ценность результатов работы.

4. Проведенные систематические исследования области стабилизации разряда при различных параметрах ячейки и выявленные закономерности используются для конструирования ИК-преобразоватсльных и фоторегистрирующих приборов ионизационного типа различного назначения и выбора режима их работы.

5. Экспериментально доказана и опробована в простейших париантах принципиальная возможность использования Планерной газоразрядной ячейки для получения картины геометрического распределения электропроводимости и низкочастотной диэлектрической проницаемости в обгектах различной природы в твердотельном и жидком состоянии в широком диапазоне электрических свойств, а также изучения пространственного распределения фаз при сегнетоэлектриче-ских фазовых переходах.

На защиту выносятся елс чующие основные положения:

6. Диаірамма V_cp(P) при вариации d и р дает полную и наглядную картину условии стабилизации газового разряда полупроводниковым электродом.

7. В ячейке с полупроводниковым электродом при малых разрядных промежутках реализуется значительный ток автоэлектронной эмиссии, чго определяет особенности характеристик ячейки, в частности, зависимость пробивного напряжения от освещенности полупроводника и повышения стабильности горения разряда с уменьшением межэлектродного расстояния.

8. Основные причины срыва пространственной стабильности состоят и искажении однородности электрического поля в газоразрядном зазоре н в модуляции проводимости полупроводника контактирующим с ним і нзовым разрядом.

9. Регистрация геометрического распределения яркости свечения іязового разряда в нланнрной ячейке может, в принципе, служить удобным средством визуализации макроскопических электрических неодно-

-7-родностей в различных материалах, полупроводниках, диэлектриках, металлах, а также d жидкостях, электролитах и биологически* объектах.

Апробаций работы. Результаты работы докладывались па II Всесоюзной конференции (Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Ашхабад. 1991, октябрь) и на семинаре лаборатории неравновесных процессов в полупроводниках ФТИ им А.Ф.Иоффе РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 научные работы.