Размерные эффекты в слоистых полупроводниковых структурах с распределенным р +-n-переходом Барышев, Михаил Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность работы. Одной из важнейших задач современной электроники и, соответственно, ее основы - физики полупроводников является поиск и исследование динамических неоднородностеи для использования их е качестве носителей информации.

Использование динамических неоднородностеи в приборах по обработке и хранению информации привело к формированию нового несхемотехнического направления в электронике -функциональной электроники, которая представляет собой область микроэлектроники, изучающей процессы генерации, распространения и взаимодействия динамических неоднородностеи в твердом теле. В приборах функциональной электроники, например, в приборах с зарядовой связью информация хранится или обрабатывается в виде динамической неоднородности - зарядового пакета из электронов и дырок.

Значительный интерес для функциональной электроники представляют физические процессы в слоистых транзисторных структурах металл-туннельно-прозрачный окисел-полупроводник (МТОП). Ранее в структурах МТОП Муравским Б.С. была обнаружена поверхностно-барьерная неустойчивость тока (ПБНТ), проявляющаяся в возникновении интенсивных колебаний тока через контакт МТОП.

На основе структур был разработан ряд функциональных приборов.

Все особенности ПБНТ объясняются на основе модели, связывающей ее возникновение с периодическим заполнением и опорожнением поверхностных состояний (ПС), то есть фактически с появлением и рассасыванием зарядового пакета из электронов, связанного в ловушках на поверхности полупроводника, или в терминах функциональной электроники с возникновением пульсирующей под воздействием электрического поля динамической неоднородности. Было установлено, что в транзисторных МТОП-структурах существенное влияние на процессы, приводящие к возникновению ПБНТ, оказывает р⁺-п-пе-реход, расположенный на расстоянии меньше диффузионной длины от контакта МТОП.

Предложенная ранее модель возникновения ПБНТ лишь в общих чертах. объясняет физические процессы, связанные с токопереносом через структуры МТОП. Было установлено, что на процесс установления ПБНТ и особенности ее протекания

существенное влияние оказывают конструктивно технологические характеристики структуры: метод изготовления МТОП-ак-тивного контакта (АК), площадь и взаимное расположение АК и пассивных (р⁺-п-переход, омический контакт к п⁺-области) контактов.

Более того, как показали исследования Кнаба О.Д. с сотрудниками, неустойчивость тока (НТ) в слоистой структуре с р⁺-п-переходом, имеющим площадь р⁺-п-перехода, существенно превышающую площадь активного контакта, возникает и в том случае, если в качестве АК использовать п⁺-р-диод, образующий с п-областью локальный п⁺-р-п-тран-зистор (БИСПИН-структура). Проведенные ранее совместные исследования Муравского Б.С. и Кнаба О.Д. с сотрудниками были посвящены в основном стабилизации параметров функциональных приборов, разработанных на основе транзисторных структур с распределенным р⁺-п-переходом и АК различных типов.

Существенно отметить, что обнаруженная ранее неустойчивость в слоистых транзисторных структурах с р⁺-п-пе-реходом и АК в виде МТОП или локального п⁺-р-п-транзисто-ра, фактически является размерным эффектом, так как должна возникать лишь при определенных соотношениях размеров рабочих областей структур и определенном значении их в сравнении с характерными длинами полупроводника ( длина экранирования Дебая, диффузионная длина). Однако, именно с учетом этих факторов, определяющих особенности процессов в структурах с распределенным р⁺-п-переходом, электрофизические и фотоэлектрические характеристики структур, ранее не исследовались. Необходимость таких исследований диктуется, в первую очередь, выяснением особенности динамической неоднородности, приводящей к появлению неустойчивости тока и более Полному использованию функциональных возможностей структуры с распределенным р⁺-п-переходом с различными АК.

Цель работы.

Исследование электрофизических и фотоэлектрических размерных эффектов в слоистых структурах с распределенным р⁺-п-переходом и активным контактом в виде контакта МТОП и в виде локального п⁺-р-п-транзистора и выяснение на этой основе их функциональных возможностей.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

исследовать электрические характеристики структур с распределенным р⁺-п-переходом, с двумя типами АК: контактом МТОП и локальным п⁺-р-п-транзистором (БИСПИН) и провести их сравнительный анализ,

исследовать зависимость полной дифференциальной проводимости структур от напряжения на АК,

исследовать елияниє толщины базы, распределенного сопротивления между АК и пассивными контактами на параметры колебаний, возникающих в структурах,

на основе экспериментальных данных выяснить механизм формирования в структурах динамической неоднородности, ответственной за существование колебаний, и роль в этом процессе неосновных носителей,

рассчитать распределение потенциала в области пространственного заряда АК структуры МТОП и сравнить результаты расчета с экспериментальными данными,

разработать на основе полученных данных новые функциональные активные элементы и исследовать их характеристики.

Научная новизна.

1. Впервые исследовано влияние на электрические характеристики структур с распределенным р⁺-п-переходом с АК МТОП и АК в виде локального п⁺-р-п-транзистора (БИСПИН) и параметры колебаний, возникающих в структурах, площади АК, толщины n-области (базы) , расстояния между АК и выводом базы.

2. Впервые исследованы зависимость дифференциальной полной проводимости структур МТОП и БИСПИН от напряжения на АК. Установлено, что с ростом обратного смещения на АК структуры, его барьерная емкость С_а возрастает по закону Ca~(U)^1/2, а сопротивление уменьшается.

3. На основе решения уравнения Пуассона для области пространственного заряда АК структуры МТОП и экспериментального подтверждения его результатов предложена модель, связывающая возникающую в АК структуры динамическую неоднородность а заполнением участка базы под АК неосновными носителями, что приводит к сужению области пространственного заряда (ОПЗ) АК до значений, сравнимых с длиной экра-

нирования Дебая и коренным образом изменяет структуру области пространственного заряда (ОПЗ) АК.

4. Впервые исследовано влияние на параметры колебаний, возникающих в МТОП структуре, зондирование перемещающейся по образцу полоски света. Установлено, что фотоэлектрические процессы в структуре зависят от положения полоски света и определяются не только диффузионной длиной неосновных носителей, но и длиной дрейфа.

5. Исследовано влияние света на частоту колебаний, возникающих за счет явления поверхностно-барьерной неустойчивости тока в р⁺-п-структуре с переменной толщиной п-области и контактом МТОП, локального освещения п-облаоти лучом лазера. Установлено, что при определенном положении светового пятна на поверхности п-области, частота колебаний достигает максимального значения f_M. Показано, что f_M возникает в том случае, когда глубина поглощения света совпадает с глубиной залегания р⁺-п-перехода.

6. Впервые проведен сравнительный анализ электрических характеристик структур с распределенными р⁺-п-перехо-дом и АК двух типов (структур МТОП и БИСПИН).

Практическая ценность.

1. На основе результатов исследований размерных эффектов в структуре МТОП разработан принципиально новый датчик перемещения с частотным выходным сигналом, и исследованы его характеристики.

2. На основе исследования зависимости параметров колебаний от температуры разработан датчик температуры.

3. Проанализированы методы согласования датчика перемещения и температуры с типовыми цифровыми микросхемами.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

4. Результаты влияния на электрические характеристики структур с распределенным р⁺-п-переходом с АК МТОП и п⁺-р-п-локальным транзистором и параметры колебаний, возникающих в структурах, площади АК, толщины п-области, расстояния между АК и выводом базы.

5. Результаты исследования зависимости полной дифференциальной проводимости структур с распределенным р⁺-п-переходом с двумя типами активных контактов от обратного напряжения на АК.

6. Разработанную на основе анализа экспериментальных

данных и решения уравнения Пуассона модель, объясняющую природу возникающей в структуре динамической неоднородности с заполнением участка базы под АК неосновными носителями и связанный с этим размерный эффект сужения области пространственного заряда АК.

4. Обнаруженный на основе экспериментальных результатов по исследованию локальной засветки поверхности п-об-ласти структуры размерный эффект, состоящий в зависимости фотоэлектрических процессов в структуре от координаты падающего на образец излучения.

5. Результаты исследований влияния на параметры колебаний, возникающих в структурах, температуры и разработанный на их основе датчик температуры с частотным выходом.

6. Разработанный на осноге исследований принципиально ноеый функциональный датчик перемещения.

Апробация работы. Основные результаты исследований опубликованы в 6 печатных статьях и тезисах докладов конференций. Результаты работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог 1994); краевой научной конференции молодых ученых "Современные проблемы экологии": второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием (Таганрог 1995).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 работ, перечисленных в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, примечания, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 162 страницы. Из них 124 страницы машинописного текста, 1 таб-" лица, 37 страниц рисунков и список литературы из 75 наименований.