Влияние разогрева носителей заряда и фононов на электрофизические свойства полупроводниковых выпрямляющих структур Умаров, Кудиратулла Бекбаевич

Введение к работе

Актуальность работы. Полупроводниковые структуры с потенциальными барьерами Шоттки и р-п переходы являются основными элементами полупроводниковой электроники. Микроминиатюризация современной микроэлектроники продолжает непрерывно усиливаться и всё больше уплотняется количество диодов и транзисторов, приходящихся на единицу плопади и объёма. В этих условиях размеры элементов становятся одинакового порядка с характерными длинами образцов: длиной диффузии, длиной свободного пробега, длиной остывания и т.д. При уменьшении размеров полупроводниковых приборов напряжённости электрических полем в рабочей области кристалла достигают величин 10%10³ В/см. Эти поля являются греющими ив неоднородных структурах неизбежно возникает.разогрев носителей тока. Если учесть, что при прохождении тока носители- взаимодействуют с внутренними полями Щоттки барьера, р-п перехода и другими полями, обусловленными неоднородноетями, то может произойти как разогрев, так и охлаждение носителей заряда. С другой стороны электронный газ взаимодействует с решёткой и неизбежно на' ,ается разогревание фононного газа. При прохождении тока через Шоттки барьер и р-п переход за счёт эффекта Пельтье в барьере выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое приводит к изменению теотературы носителей тока и фононов- Эти изменения температуры носителей тока и фононов должны существенно влиять на процессы прохождения тока в неоднородных полупроводниковых структурах.

В настоящее время размеры полупроводниковых диодов в микросхемах имеют одинаковый порядок с длиной остывания носителей тока на фононах. Следовательно,в субмикронных структурах должны проявляться тепловые размерные эффекты. Для исследования процесса прохождения тока через неоднородный полупроводник будем рассматривать образец как ограниченную систему, состоящую из подсистем носителей зарядов и фононов. Подсистемз носителей взаимодействует с фононной подсистемой и с окружающей средой. На границе образца необходимо сформулировать тепловые и токовые граничные условия. Учёт границы приведёт к тому, что в каждой подсистеме установится своё распределение поля и температур. Однако, в настоящее время

влияние тепловых размерных эффектов на работу неоднородных полупроводниковых структур почти на исследовано.

При исследовании р-п переходов в сильных СВЧ полях, влияние рекомбинационннх процессов в области объёмного заряда на исследовалось. Однако, эксперименты свидетельствуют о том, что рекомбинация играет определяющую роль при прохозеде-нии электрического тока через р-п переход. При разогреве носителей изменяются скорости рекомбгаации носителей на ре-колбинацконных центрах. Это такте кокет существенно повлиять на процесс прохождения тока через р-п переход. Эти и другие вопросы, связанные с разогревом носителей тока к фононов, в настоящее время недостаточно исследованы.

Таким образом, исследование разогрева носителей тока и Фононов, а также тепловых разкерных эффектов в Еоттки барьерах и р-п переходах, используемых для создания полупроводни-ковш приборов является актуальным и имеет яснух> научную и практическую перспективу.

Целью саботы является теоретическое исследование влияния разогрева носителей заряда и фононов на процессы прохождения тока через полупроводниковые структуры с потенциальными барьерами.

В задачу диссертации входило исследование следующих вопросов:

1. Исследование влияния разогрева носителей заряда и фононов на теплові размерные эффекты и вольт—амперную характеристику ЕыпргакяЕщих структур (Шотхки диод и р-п переход).

2. Исследование влияния разогрева носителей тока и фононов на коэффициент кеидеальности Еоттки барьера и р-п перехода. -

3. Исследование влияния разогрева носителей заряда на рекомбкнационныз токи в р-п переходах.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Впервые исследовано влияние тепловых размерных эффектов на работу барьерных структур и установлено, что в барьерных структурах тепловые размерные эффекты проявляются сильнее, чем в однородных образцах.

2. Получены вольтамперныэ характеристики Яоттки диода и р-n перехода с учётом разогрева носителей тока и фононов и показано, что учёт разогрева электронного газа сдвигает 8АХ диода по оси напряжений относительно идеального. Разогрев фононного газа оказывает влияние на величину этого сдвига.

3. Впервые исследовано влияние разогрева носителей заряда и фононов на коэффициент неидеальности ВАХ выпрямляющего диода и получено аналитическое выражение для коэффициента неидеальности ВАХ.

4. Впервые теоретически исследованы рекомбинационные токи в р-п переходе с учётом разогрева носителей тока. На закиту выносятся следующие положения:

1. В барьерных структурах тепловые размерные эффекты проявляются сильнее,*чем в однородных образцах.

2. Учёт разогрева носителей заряда и фононов существенно влияет на ВАХ Шоттки диода и р-п перехода. За счёт разогрева носителей заряда и фононов ВАХ Шоттки диода и р-п перехода сдвигаются по оси напряжений относительно идеального.

* Т. Разогрев- носителей заряда и фононов приводит к коэффициенту неидеальности ВАХ Шоттки диода и р-п перехода всегда отличающуюся от единицы. Коэффициент неидеальности ВАХ зависит от параметров барьера, условий на тепловых и токовых контактах и толщины базы диода.

4. В греющем СВЧ поле роль рекомбинационных процессов в р-п переходе сильно возрастает, область напряжений, в которой преобладает рекомбинационный ток над диффузионным расширяется, и её нияняя граница перемещается в сторону отрицательных напряжений, где в отсутствии СВЧ поля наблюдается только генерационный ток.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные количественные соотношения для ВАХ, возникающей под воздействием электромагнитной волны, могут слухить теоретической основой при разработке новых полупроводниковых приборов, использующих эффекты разогрева носителей тока на р-п переходах. Формулы коэффициента нейдеальности ВАХ могут быть использованы для анализа качества полупроводниковых диодов. Анализ тепловых размерных эффектов мозсет быть использован при выборе тепловых рехимов и оптимальных размеров существу-

T I

,-6-

кцйх диодов, а такхе при проектировании и оптимизации пара-ыатров новых приборов. Исследование рекомбинации горячих носителей на р-п переходах могут способствовать пониманию механизмов детектирования СВЧ сигналов и шгут быть использованы при разработке СВЧ диодов более высокой частоты.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на: езегодных конференциях Нашнганского индустриально-технологического института (Наманган, 1992, 1993, 1994): семинарах института "Выстая педагогика" при ТакГУ (Талкент, 1994), Нашнганского государственного университета. Ферганского государственного университета, Ташкентского государственного университета, и опубликованы в вида статей в зарубежных и ВУЗовских изданиях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка цитируемой литературы. Диссертация излокена на 122 страницах шеинописного текста, вклячает \Ь рисунков и список литературы из 74 наименований.