Введение к работе
Актуальность темы. Современная электроника, являющаяся основным средством обработки и передачи информационных потоков, развивается по двум основным направлениям: интегральной электроники или микроэлектроники, и функциональной электроники. Тенденции развития микроэлектроники обусловлены идеологией больших и сверхбольших интегральных схем и осуществляются в направлении освоения субнаносекундных интервалов времени и нанометровых размеров компонентов сверхвысоких уровней интеграции. Эти достижения, реализующиеся на основе транзисторной схемотехники, при использовании принципа технологической интеграции статических неоднородностей - потенциальных барьеров, к которым относятся легированные разными примесями полупроводниковые области активных компонентов интегральных схем, металлические и диэлектрические участки кристалла.
Разработчики интегральных схем первого направления изыскивают возможности уменьшения размеров активных областей, 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 способами обработки массивов информации.
Одним из направлений функциональной электроники - является негатроника. Эта область электроники связана с теоретическим рассмотрением и практической реализацией электронных приборов, имеющих в своих рабочих режимах отрицательное значение основного дифференциального параметра, в частности, отрицательного активного сопротивления. В настоящее время разработаны различные виды полупроводниковых приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Представителями этого класса приборов являются: мощные сверхвысокочастотные приборы – лавинно-пролетные диоды, ключи на лавинных транзисторах с высоким быстродействием и временем отклика на воздействие, сильноточные полупроводниковые переключатели на динисторах и тиристорах. Развитие этой области электроники проходило неравномерно и, в отличие от классической транзисторной электроники, долгое время не имело четкой теоретической базы.
Первым толчком в исследованиях данного направления считается открытие падающего участка на вольтамперной характеристике полупроводникового точечного диода, сделанное О.В. Лосевым. Также принято считать, что это открытие дало начало эре полупроводниковой электроники.
Однако, успешное развитие больших и сверхбольших микросхем ослабило научный интерес разработчиков от этого направления. Тем не менее, освоение и дальнейшее использование СВЧ диапазона привело к интенсивным поисковым исследованиям физических эффектов и полупроводниковых приборов, обладающих отрицательным сопротивлением. Усилия были направлены на создание полупроводниковых приборов, обладающих отрицательным сопротивлением на высоких и сверхвысоких частотах. Началом поиска путей создания таких СВЧ-приборов было положено Шокли. В ходе экспериментальных исследований были получены практические результаты в виде: диода Ганна, туннельного диода Эсаки, лавинно-пролетного диода и его разновидность ТРАПАТТ-диод, инжекционно-пролетный диод.
В низкочастотном диапазоне серьезное практическое распространение получили четырехслойные полупроводниковые структуры типа p-n-p-n и их различные вариации, обладающие отрицательным сопротивлением. В снове принципа работы лежит тиристорный эффект, который обусловлен лавинным умножением носителей на закрытом среднем p-n-переходе. Наиболее широкое применение в схемотехнике получили динисторы и тиристоры. Самые полные теоретические и практические исследования таких тиристорных систем проведены С.А. Гаряиновым и Н.Д. Абезгаузом. Эти приборы могут работать в усилительном, генераторном и ключевом режимах.
Исследование эффекта лавинного умножения в коллекторном переходе биполярного транзистора привело к созданию лавинного транзистора, на вольтамперной характеристике, которого имеется участок отрицательного сопротивления. Теоретические исследования таких приборов с отрицательным сопротивлением и импульсных устройств на их основе, были проведены В.П. Дьяконовым.
Таким образом, тема диссертационной работы, посвященная разработке математической модели нелинейной колебательной системы на основе одно- и двухпереходных полупроводниковых структур, содержащей элемент с S-образной вольтамперной характеристикой, учитывающая влияние барьерной емкости и последовательного базового сопротивления, является актуальной.
Объект исследований: процесс генерации релаксационных колебаний тока и напряжения
Предмет исследований: одно- и двухпереходные полупроводниковые структуры
Цели диссертационной работы.
Создание физической модели нелинейной колебательной системы релаксационного типа на основе одно- и двухпереходных полупроводниковых структур и объяснение с её помощью экспериментальных закономерностей, характеризующих процессы в таких системах.
При этом решались следующие основные задачи:
1. Разработать физическую модель колебательной релаксационной системы, содержащей в качестве необходимого компонента элемент с S-образной вольтамперной характеристикой
2. Провести исследование нелинейных электрофизических характеристик одно- и двухпереходных полупроводниковых структур
3. Определить электрические и материальные параметры влияющие на возникновение релаксационных колебаний тока и напряжения в одно- и двухпереходных полупроводниковых структурах.
Научная новизна.
-
Построена принципиально новая математическая модель колебательной релаксационной системы на основе полупроводниковой структуры с поверхностно-барьерным переходом, содержащей элемент с S-образной вольтамперной характеристикой.
-
Впервые исследованы электрические и частотные параметры генерируемой неустойчивости тока и напряжения в двухпереходных полупроводниковых структурах с S-образной вольтамперной характеристикой в эмиттерном переходе, выполненных по технологии термовакуумного напыления. Получены релаксационные колебания тока и напряжения при внешнем электрическом напряжении до 40 Вольт частотами до 6 МГц на двухпереходных структурах.
-
Впервые показана возможность реализации релаксационной колебательной системы в едином полупроводниковом кристалле, в объеме которого присутствуют необходимые активные элементы с S-образной вольтамперной характеристикой, емкостью поверхностно-барьерного перехода и нагрузочным сопротивлением базовой области. Параметры активных элементов, используемых в физической модели, связаны с геометрическими размерами однопереходной полупроводниковой структуры и электрофизическими свойствами материала, образующего поверхностно-барьерный переход.
-
Впервые дано объяснение возбуждению релаксационной неустойчивости тока и напряжения в широком диапазоне рабочих напряжений (340 Вольт).
Научная и практическая значимость
-
Предложенная физическая модель релаксационной колебательной системы, содержащей элемент с вольтамперной характеристикой S-типа и барьерную емкость, позволила соотнести рассматриваемую систему с аналогичной системой, рассмотренной в радиофизике. Полученные в работе теоретические выводы в большей степени соответствуют результатам экспериментальных исследований неустойчивости тока и напряжения в одно- и двухпереходных структурах, чем ранее предложенные модель процессов обмена поверхностных состояний и глубоких энергетических уровней с зоной проводимости полупроводникового кристалла под действием электрического поля, модель, использующей упрощенную эквивалентную схему двухпереходной структуры и модель, использующей эквивалентную схему для объяснения усиления тока и накопления неосновных носителей заряда в базовой области двухпереходной структуры.
-
Результаты диссертационной работы нашли применение в учебном процессе физико-технического факультета в изучении физических явлений, происходящих в полупроводниковых приборах.
Достоверность полученных результатов
Созданная физическая модель основана хорошо апробированной методике расчета релаксационной колебательной системы используемой в радиофизике. Применение математической модели подтверждается хорошим совпадением экспериментальных и теоретических данных.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Физическая модель нелинейной колебательной системы на основе одно- и двухпереходных полупроводниковых структур, содержащей активный элемент с S-образной вольтамперной характеристикой.
-
Результаты исследования электрических и частотных параметров неустойчивости тока и напряжения в двухпереходных структурах выполненных по технологии термовакуумного напыления.
-
S-образная вольтамперная характеристика эмиттерного перехода является необходимым и достаточным условием возникновения релаксационных колебаний.
Личное участие автора в получении научных результатов
Изготовлены образцы двухпереходных полупроводниковых структур с использованием технологии термовакуумного напыления; проведены измерения электрофизических характеристик двухпереходных структур; плучено аналитическое выражение для S-образных вольтамперных характеристик эмиттерного перехода двухпереходных структур; разработана математическая модель нелинейной колебательной системы на основе одно- и двухпереходных полупроводниковых структур; проведены расчеты длительности фаз колебаний, амплитуды напряжения и тока.
Апробация. Основные положения диссертации докладывались на пятая всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 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); восьмая всероссийская научно – техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 2002); Semiconductor Devise Research Symposium (University of Virginia, 1999); седьмая Всероссийская научная конференция студентов-физиков (Санкт-Петербург, 2001), девятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков (Красноярск, 2003), десятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков (Москва, 2004), двенадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков (Новосибирск, 2006), четырнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков (Уфа, 2008), пятнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков (Кемерово-Томск, 2009), семнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков (Екатеринбург, 2011), третьей международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2002), международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВ-2005» (Таганрог, 2005), третьей Всеросийской научной конференции молодых ученых и студентов (Краснодар, 2006), научно-технической конференции «Космическая энергетика» (Краснодар, 2011), семнадцатой Всероссийской конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред» (Краснодар, 2011), восемнадцатой Всероссийской конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред» (Краснодар, 2012), международной конференции «Инноватика-2011» (Ульяновск, 2011), Всероссийская заочная научно-практическая конференци «Современные проблемы физики, биофизики и инфокоммуникационных технологий» (Краснодар 2012)
Область исследований: содержание диссертационного исследования соответствует пунктам 4, 6, 7, 9, 17, 18 паспорта специальности 01.04.10 - физика полупроводников.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 26 печатных работ, из них 3 в изданиях из перечня рецензируемых научных журналов и изданий.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения. Список использованной литературы содержит 170 наименований. Текст диссертации содержит 135 страниц машинописного текста, включая 85 рисунков.
