Динамика флуктуаций тока микроплазм в P-N-переходах на кремнии и карбиде кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ.А.Ф.ИОФФЕ

ДИН'ЧИКА ФЛУКТУАЦИИ ТОКА МИКРОПЛАЗМ В Р-У-ПЕРЕХОДАХ НА КРЕМНИИ И КАРБВДЕ КРЕМНИЯ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Для служебного пользования

экз. № п О О У

На правах рукописи

КОНДРАТЬЕВ БОРИС СЕРГЕЕВИЧ

УДК 621.382

Ленинград

1991

Работа выполнена в Ордена Ленина физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе АН СССР.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

В.Е.Челноков.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Аладинский В.К., - доктор физико-математических наук Кардо-Сысоев А.Ф.

Ведущая организация - ЛГГУ, Ленинград.

Защита состоится _1991р. в

уЦ' ** часов на заседании специализированного совета К 003.23.01 при дизико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе АН СССР по адресу: 194021, Ленинград, Политехническая ул.,д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзывы наавтореферат в цвух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному выше адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

ЭР V/ Автореферат разослан "_• / у 1991г.

Ученый секретарь

специализированного совета К 003.23.01 кандидат физико-математических наук

Г.С.КУЛИК0В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 рода концептуально сложных явлений. Классическим представителем таковых могут служить микроп; .змы и микроплазменные токовые явления в р-п-переходах. Нардду 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 флуктуаций амплитуд,временных параметров МП токового процесса не получила обоснования и необходимого развития.

Целью работы является исследование флуктуаций тока микроплазм р-п-переходов и определение закономерностей его развития. Работа выполнялась в применении 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

(1,2*-1,8) Л03В (как промышленного изготовления, так и специально изготовленные с "инициированными" микроплазмами, полу-

ченными с использованием нейтронного облучения), а также низковольтные -- 25-503 карбид-кремниевые (оН-Л'С), выращенные эпитаксиальным методом на ориентированных параллельно гексагональной оси С - ¿¡С 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 флуктуаций 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 флуктуаций параметров случайного тока МП в высоковольтных кремниевых и низковольтных карбид-кремниевых р-п-переходах, причем исследования МП в карбиде кремния представлены впервые.

1. 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.

2. 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 Л и £гС . Определено сходство общих функциональных изменений флуктуационных ' процессов и различие при изменении температуры.

4. Впервые показала динамика стохастических связей (корреляций) в формировании проводящих свойств .МП токовой системы. Указано на наличие связанных механизмов, формирующих включение и выключение Ш1 тока.

5. 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.

1. Разработана новая установка исследования МП и МП токовых пульсаций - АКМИ (аппаратурно-программный комплекс МП исследований), включающая новые модули КАМАК и широкое программное обеспечение алгоритмов исследований. Комплекс монет быть применен в приборостроении, <з такие других отраслях народного хозяйства при проведении исследовательских работ по изучению нестационарных импульсных процессов, в особенности при изменении значений параметров в широких пределах.

2. Полученные воспроизводите 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 шу?ловых генераторов с заданными свойствами.

3. 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:

1. Динамика флуктуаций микроплазменного тока в р-п-перехо-дах не предстазима моделью пуассоновского случайного процесса; используете в практике исследований функции включения р,^ и выключения Р2д, 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.

2. Процесс генерации микроплазменных импульсов является неоднородным во всей области нестабильности Л V и нестационар-

- б -

кьзл при каждом значении напряжения V£а~*Г , разделяясь на область гашения (^ , ) при У"« Т£ и

область саморазвития У> ( » %/макс. )>г,ге

напряжению соответствует максимальное число импульсов

тока отдельной микроплазмы при данной температуре.

3. Изменение состояний микроплазменного процесса пропля-ется в трансформации законов распределения коррелированных параметров пульсаций и характеризуется: при неизменных условиях (напряжении и температуре) - модальным распределением амплитуд флуктуаций тока , модальным (а не экспоненциальным) распределением длительности импульсов , близким к экспоненциальному (с переменным средним значением) распределением пауз Та , модальным распределением суммарной длительности импульсов и пауз = +Т0 ; при изменении условий - совместной нелинейной трансформацией всех распределений, приводящей к вырождению случайного процесса в постоянный ток в конце области нестабильности.

4. В 6Н-&'С р-п-структурах в отличие от Л' высоковольтных структур, скорость генерации микроплазменных импульсов тока в области насыщения числа импульсов (при У"« У0 ) и комнатных температурах (Т°=300К) в 4-10 раз выше, а амплитуда в 1,5-3 раза выше, что коррелирует с большей напряженностью поля и меньшим пролетным временем ОПЗ р-я-перехода.

5. Микроплазму в р-п-переходе можно представить стохастической динамической системой с положительной обратной связью по току, вырождающуюся с ростом напряжения Те./у~Т 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 явлениям б физических системах (Вильнюс-Паланга,

1986г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Шумовые и де-градационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва-Черноголовка, 1930г.); III Международной конференции "Аморфный и кристаллический ¿¿С ICA.CSG'90 (США, Вашингтон, 1990г.) и на научных семинарах в ®ГИ 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована яктуяльность те?.«:! диссертации, сформулированы цель и научная задача работы, представлены объекты исследования, изложены основные результаты по главам, приведены научные положения, вынос.им"е на защиту.

Первая глава посвящена аналитическому обзору теоретических основ и практике исследований лавинного пробоя р-п-переходов, физике микроплазменных явлений и лежащей в фундаменте микроплазменных токовых явлений бистабильной модели микроплазменного токового процесса. Обращается внимание на методические аспекты изучения микроплазм. Выясняется перспективность используемых вероятностных характеристик случайного Ж тска с современных позиций теории случайных процессов. С тгтки зрения используемых полупроводниковых материалов,представлены данные исследований на кремнии (Л ) и широкозонном (с<^- 3 эВ) политипе карбида кремния - 6Н-Л'С.

В главе кратко рассматриваются физические основы явления размножения носителей заряда (электронов и дырок) в сильных электрических полях как для однородных полупроводников, так и в р-п-переходах в условиях ударной лавинной ионизации. На основе классической модели однородного прсбоя в одномерном р-п-пе-реходо рассматривается критерий лавинного пробоя - напряжение

лавинного пробоя , используемое и в практике микроплазменных исследований. При анализе процессов умножения носителей обращается внимание на концептуальное предположение о независимости характера протекания умножения от предыстории прихода запускающих носителей (марковское свойство), также используемое в случае МП р-п-перехода. Указано, что в высоковольтных (ВВ) с 10"В р-п-переходах на Л" процессы ударной ионизации и умножения развиваются в полях Ё^ ^ (0,5-2) ЛО^В/см, в р-п-переходах на 6Н- <3г С в очень сильных полях Ед -г (3*6) ЛО^В/см (напряжения пробоя составляют десятки-сотни вольт); диапазон температур в совокупности для Л и ¿¿С охватывает область от ~80К до 700К. Из анализа литературы следует крайне слабая ис-следованность МП в карбиде кремния. Кроме того, отмечена дис-куссионность знака температурного коэффициента лавинного пробоя (ТКН) - ^ - в р-п-переходах на основе 6Н-«5с С при

ориентации вектора поля параллельно гексагональной оси С СМ-&С

( Вис ).

Значительное место уделено неоднородному,по геометрии р-п-перехода, развитию лавинных процессов и характеру формирования тока пробоя в отдельных Ш . Из представленного обзора следует, что до настоящего времени в практике исследования Ш используется модель электрической нестабильности (модель Мак Интайра - Хейтца), описываемая параметрами , (последовательным сопротивлением МП. ), а также функциональными параметрами - вероятностью (интенсивностью), включения р^д и выключения р^ тока Ш в единицу времени.

Указано, что введенная в теорию МП бистабильная модель токового процесса Ту (&), предложенная в самом начале исследований Чамплиным, Буржессом и др., в последующих работах использовалась без проверки на статистическую адекватность.

Показано также, что применение вероятностных параметров рн*—- и Р/0 = > выражаемых через средние значения длитель-

ностей пауззг уи импульсов ^ , оправдано в случае выполнения марковской модели. Представленный в главе обзор экспериментальна данных как в ВВ, так и в НВ р-п-переходах свидетельствует о наблюдаемой кестационарности процесса генерации импульсов в

МГЬ , сложности форш импульсов, галичии флуктуации (небинар-ностч) амплитуд, з ряде случаез и о различии функциональных зависимостей р^^ и р^ от условий. Отмечается противоречивость полученных выводов, обусловленная различием методик и недостаточностью статистических данных. Использование рядом авторов (Аладинский В.К. и др.) более мощного аппарата,а в последние годы и моделирования на ЭВМ, позволили не только конкретизировать возможные причины срыва лавинных импульсов тока, но и существенно изменить взгляды на МП процессы, в частности, на возможные различные форш лавинного размножения в МП Однако, в конечном итоге, выйти за пределы пуассоновской модели не удалось.

В главе делается вывод о том, что в основе указанных противоречий лежит необоснованность экспокенциальности распределений длительности и ^/гУ , а также отсутствие связи между параметрами МП. Результатом слабой определенности реальных ' свойств МП процесса является слабая конструктивность МП исследований. Формулируется основная задача исследований, заключающаяся в разработке новой метопики исследований, основанной на анализе динамических свойств МП случайного тока и описывающей его модели МП процесса. Подчеркивается необходимость определения законов распределения его флуктуирующих параметров в едином времени, а не только средних значений параметром пульсаций тока.

Вторая глава посвящена разработке методики исследования МП токового процесса в р-п-лереходах и реализующего ее нового инструмента исследования - аппаратурно-програму ого комплекса (ЛКМИ).

В основу методики положен многофакторный (совместный во времени и условиях эксперимента) анализ определяющих МП параметров - признаков, рассматриваемый с позиций общей теории случайных процессов. Поскольку стохастическая и временная структура МП процесса заранее не определены, то предлагается учесть динамику связей параметров в" времени, выражаемую корреляционной функцией £(1Р) , где J - анализируемый параметр, причем глубина временной связи по значимым величинам 'Р и будет ха-

растеризовать последействие, а значит, и немарковость анализируемых свойств. Для разрешения указанных в главе I противоречий общий алгоритм исследований предусматривает оценку свойств нестационарности процесса, возможную неэкспоненциальность плотностей распределения , ¿' = 0,1,2 , законы флук-

туации амплитуд и(.Т) и, наконец, связанность (коррелирован-ность) между параметрами С"- и Т^ . Показано, что в общем случае необходим учет не только одномерных , , но

и совместных плотностей распределения, например ) .

Отмечается, что следствием использования в опыте явля-

ется установление важной функциональной зависимости = (Т^) , выражающей связанность формируемых длительностей и амплитуд, так и коэффициента умножения М~ [7"0 • Для сравнения с предшествующими исследованиями, основанными на экспоненциальном приближении, предусматривается определение средних величин параметров, а также вероятностей переходов р^ и р^-^ при различных параметрах управления (У к 7" ).

В главе представлены обоснования выбора интервалов дискретизации и квантования и необходимого числа отсчетов для построения гистограмм и корреляционных функций > где "С - дисперсия. Показано, что для общности исследований необходимо использовать не только оценку средних значений ГС. , флуктуаций параметров, являющихся наилучшими при нормальном (гауссовом) приближении, ¿о и их модальные, медианные значения, а также дисперсии их отклонений.

Отмечается, что нестационарность (изменчивость во времени) свойств МП процесса требует ограничения интервала наблюдения Тн или числа регистрируемых импульсов ' при данных условиях -V или 7 ° . Однако, число должно быть по крайней мере

что, как показано в главе, обеспечивает хорошую статистическую точность для каждой реализации трехмерного массива {11/ ЧГ,, %} .

В результате проведенного анализа подчеркивается необходимость разработки автоматизированного информационного комплекса исследования. Показано, что алгоритм исследования должен быть адаптивным и начинаться с установления интегральных оценок

традиционных средних величин параметров с последующим переходом к полным модельным исследованиям МП токового процесса.

Б конце главы приводится структурная схема АКМИ, реализующая основные методические рекомендации. АКМИ состоит из двух частей: контрольно-измерительной, включающей в себя МП харак-териограф, криостат и исследуемую структуру с р-п-переходом, и измерительно-вычислительной на основе ЭВМ (ДВК) с дисплеями, принтерами, интерфейсом КАМАК с набором модулей как общего назначения, так и специально разработанным!! модулями измерения временных интервалов и амплитуд случайного тока. Представлены паспортные данные комплекса, разработанное и отлаженное программное обеспечение исследований в режиме совместного анализа параметров пульсаций.

В выводах указывается на реализуемые с помощью АКМИ возможности, направленные на изучение статистической структуры МП процесса. Отмечается перспективность методики для исследования иных импульсных нестационарных процессов с широким диапазоном изменения параметров.

Третья глава посвящена измерению параметров флуктуация в МП высоковольтных и низковольтных ¿СС р-п-структура. В главе уделяется внимание необходимым условиям подготовки, отбора образцов и проведению МП экспериментов.

Указано, что основная часть исследуемых в рабсте первых по порядку зажигания МП в структурах с естественными МП (на кремниевых ВВ лавинных структурах с Уде (1-2).1СГ?В и карбид-кремниевых (£!/С ) с (25:-50)В диодных р-п -струхтурах) отбирались,исходя из методических рекомендаций -разнесенности зажигающихся МП по значениям напряжения пробоя и геометрическому "разнесению" каналов в плоскости р-п-перехо-да. Используя предложенное совместно с НИИФХИ им.Л;Я.Карпова локальное нейтронное облучение пластин бысокосмногс п-Л' с ЛСх — 160 Ом/см с целью понижения удельного сопротивления (основанного на принципах нейтронного легирования п/п), нам удалось создать структуры с инициируемыми МП (Ин.МШ.Идентификация местоположения, размеров каналов (диаметров МП-мД/}/?), электрических свойств осуществлялась с привлечением лазерного сканирующего микроскопа, а также 4 зсндового метода измерения

распределения удельного сопротивления. Представленные результаты температурных зависимостей (Т°) для всех структур с Ш на $1 демонстрировали классическую положительность знака ТКН во всей области ЮОК 4- 300К, свойственную обычному механизму протекания лавинного умножения и пробоя р-п-переходов.

Экспериментальная проверка применимости методики и АКМИ осуществлена на примере ВВ лавинных структур силовых диодов с большой статистикой образцов (> 50шт.) с МП, , что обусловлено достаточно хорошо извэстными параметрами микроплазм. Проведенные исследования всех структур с МП показали, что процесс генерации импульсов тока существенно различен для 3-х областей всей области нестабильности 6 У : < V-* и "У^ > у> . Характерная область ЛГ-Т0 определялась

по максимальному темпу генерации импульсов в единицу времени

и соотзетствовала с точностью эксперимента рав'енству средних величин длительностей импульсов и пауз, т.е. « 2Г (или р0^а Рю)«Отмечалась квазилинейность зависимости средней амплитуды импульсов тока ( 1у ) с ее насыщением (с ростом У ) до величины Т* . Характер флуктуаций всех параметров процесса свидетельствовал об изменении их дисперсий с изменением условий. Обобщенные результаты для средних величин параметров МП представлены в таблице. Здесь А' структуры представлены двумя типами: I - стандартные лавинные структуры и 2 - структуры с И.Ч.МП.

типы % «5 лГ X/ А МП

р-п структур В Ом В мкА шал мкс

А 2 1,2*1,8)Ю3 ^Ю5 34-Ю 304-70 104-100 40-60 (;) 20-25 (2)

бН-Ас 255-50 14-2). Ю4 14-1,5 804-150 и более 0,14-0,3 4-12

Используя свойства и высокую точность определения области У=Т^> предложен способ оценки ТКН.Способ может быть применен к определению параметров глубоких центров, а также в сложных слу-

чаях - при больших утечках, близости МП по напряжению зажигания и др. Показано, что применение этого способа позволило подтвердить непостоянство знака ТКН для структур 6H~5i'C (E/fC ). Отмечено, что смена знака от отрицательного к положительному наступает при Т^ЗбО + 20 К,и обсуждены физические причины смены знака.

Основное внимание в главе обращено на характер совместного изменения средних параметров пульсаций тока. Показано, что во всей области 4 У изменения приращений параметров ,2~,

Л от напряжения происходят связанно, но с различными скорое- . тями. При y>lf0 наблюдается резкое удлинение Т^ при слабом изменении 2Г , связанных между собой через изменяющийся квазипериод ч: (У) . Показано, что МП процесс непредставим несвязанной моделью механизмов формирования импульсов, пауз и амплитуд, что приводит к первому подтверждению неконструктивности свойств модели СДС для его описания. Таким образом, проблема заключается не в повышении точности оценок' параметров, а в качесть^нно иной модели процесса. Для этого необходимо использовать не средние значения, а функции распределения определяющих параметров случайного тока.

Четвертая глава посвящена исследованию свойств МП токового процесса на основе изучения законов распределения основ-

ных параметров и связей между ними. Пользуясь возможностями новой методики и АКМИ продолжено изучение свойств МП процесса в р-п-переходах трех выделенных: групп образцов. На основе полученных экспериментальных результатов обсуждаются свойства оценок плотностей распределений, корреляцисшых связей, характера изменений их свойств при изменении условий (напряжения и температуры) для отдельных МП . В результате определяются модельные свойства МП процесса, причины изменения динамики свойств процесса и формулируются новые представления о МП токовой системе в р-п-переходе.

Предметом изучения служат взаимосвязанные изменения флуктуация длительностей импульсов, пауз, суммарного промежутка и амплитуд. Исследуются свойства трех основных участков области нестабильности: I - t, < Y< Т0 , II - ,111

демонстрируемые для средних^ , ^ , 2Г , в главе 3. Удобно свойства процесса во всей области а Т рассматривать относительно изменения безразмерного коэффициента К. =. » однозначно зависящего от напряжения.

Показано, что изменение соотношений между средними величинами % и или К* (У), во всей области пульсаций от! до Ук„н происходит из-за изменения стохастических свойств процесса, проявляющихся через согласованное изменение плотностей распределения и корреляционных связей. При этом для различных р-п-переходов на & и ¿¡С численные значения всех измеряемых характеристик для трех групп образцов отличаются, не общие закономерности качественно одинаковы.Наиболее характерной областью является область У-Т0 ( &9= I). Показано, что из равенства средних 'С^ и ^ в этой области не следует одинаковость статистических .свойств, поскольку распределения ьГ^) и ¿Г(Т^) Не совпадают по форме (рисЛ) для всех исследованных образцов не только при У-У0 » но и для всех У В &У . Данные, приводимые в главе, свидетельствуют о неправомерности предположений об экспоненциальности распределений ЬГ( 7^) , а с учетом распределений амплитуд и о неприменимости бистабильной модели . Данные корреляционной обработки говорят и о связанности между механизмами, включающими и выключающими МП ток, причем глубина временной связи простирается на несколько шагов корреляционной функции £ г , 2*3. Совместно с различием в плотностях распределений при различных Ус л У это демонстрирует немарковские и нестационарные свойства МП токового процесса, его свойство неустойчивости.

В результате анализа одномерных плотностей и корреляционных статистических связей во всей области пульсаций показано, что динамика пульсаций при У< Уа и У> Уа существенно различна не -только в среднем, что уже отмечалось ранее, но и по характеру функционального изменения (трансформаций) плотностей распределения и корреляционных связей в этих областях. По мере роста К*(У) от доЛ"*= I ( У0 ) модальность распреде-

ления сохраняется, а разброс увеличивается;

обратная ситуация, но с большей скоростью изменения, характерна

л;

Рис Л. Одномерные пли ;ости распределения Р'/еменных параметров МП тона п области У - У •

О

Рис.2.

Трансформация совместной плотности в £б™сти

нестабильности МП (проекция на п-.оскость 1.2,* *< >>•

а) при (начало пульсаций тока),

б) при у>г5 Р< • вь ' в " ™ ве"

роятности - демонстрируют рельей трехмерной фигуры.

для распределения &Г(Тв) . Амплитудные флуктуации при этом уменьшаются, отмечается переход от двумодального (а при очень малых У- Уд и крайне неустойчивого одномодального) к одномодальному распределению с уменьшающейся по мере роста напряжения дисперсией. При К*> I (с ростом У ) происходит совершенно иной характер трансформаций, при этом амплитуда тока"насьпцаетсп" (гл. 3), стремясь к постоянному детерминированному значению.

Показано, что рост напряжения сопровождается ростом интервала связи между и То , т.е. происходит рост памяти системы. Полученные данные демонстрируют вырождение случайного, близкого к марковской (полумарковской с учетом tf cont¿0 ) модели процесса при ТГя (где и могут быть применены pQjrifpjQ) в сильно связанный, неоднородный по приращениям, немарковский процесс, а затем, при ~\Г~* - в практически постоянный ток. Многократное повторение экспериментов показывает, что эти связанные изменения не случайны, а закономерны и обусловлены динамическими свойствами МП как системы.

Для уточнения связей мевду амплитудами и длительностями доследовалась совместная плотность вероятности iif^CT^, .На рис.2 она представлена в проекции на плоскость - , J^ е В сечениях по и Z^ она соответственно дает одномерные плотности , а в среднем приближении - зависимость (связь) Zy (If) представляет собой сверхэкспоненциальнуго зависимость.

Анализ данных на рис.2 указывает, что длительность импульсов системы регулируется не только дисперсиями амплитуд X}(Ti) , как полагалось ранее, но и величиной напряжения, а значит и поля (возможно, его распределением в МП области).

В заключительной части представлены соображения о свойствах процесса, характеризующего свойства МП токовой системы. Показано, что возможной причиной формирования мод связанных распределений (временных группировок параметров флуктуаций) являются группировки самих носителей заряда. В свою очередь,это обусловлено запаздыванием обратной (статистической) связи по току, синхронизующей во времени процесс запуска лавинных носителей, динамику развития и поддержания плазмы носителей. Наоборот, с уменьшением напряжения У~(?й У (т.е. приближением к начальному

этапу пульсаций - зарождению) происходит разрушение синхронизации, что и является основной причиной сокращения длительности импульсов МП тока, а в конечном итоге интегрально выражается в гашении пульсаций. Указанные свойства формируемой модели динамической, стохастической токовой системы принципиально отличаются от пуассоновских свойств используемой модели МП.

Заключение. Представленные в диссертации исследования были направлены на разработку основ построения конструктивной модели МП и МП токового процесса.

Главной целью работы являлось исследование флуктуаций тока, МП р-п-переходов и определение закономерностей его развития. В качестве объектов исследований использовались различающиеся по физическим свойствам высоковольтные Л и низковольтные 6Н-•¿С С структуры с р-п-переходом.

Итоги кратко сводятся к следующему:

1. Анализ результатов проведенных ранее исследований мл процессов в р-п-переходах показал, что положенные в основу предположения математической теории марковских процессов свойства стационарности процессов в МП , экспоненциальной распределенности временных параметров, а также их несвязанности с амплитудными флуктуациями определяют в совокупности неконструктивность существующего аппарата исследования, тормозящее развитие теории и ее применение в практике. Поэтому был предложен новый подход, предполагающий учет динамических свойств МП процессов.

2. Разработана методика и аппаратурно-программный комплекс МП исследований (АКМИ). Показано, что основу методики составляет временной многофакторный статистический анализ МП процесса, включающий анализ одномерных и совместных функций распределения флуктуаций параметров и связей между ними.

3. Установлены закономерные изменения теша генерации и амплитудных изменений динамики случайного тока в областях нестабильности 4 У МП и экспериментально доказаны нестационарность и неоднородность МП процесса как его основных свойств. Определены свойства малой переходной области напряжений Уа€&V, в которой происходит смена механизмов, формирующих случайный ток в различных областях У. < ~Т< ~Та и" ТГ>

4. Доказана неадекватность свойств МП процесса модели СДС. Показано, что из неэкопоненциал; чости распределений- , модальности ^(1-,) , af(^), коррелированности параметров и Т0 следует немарковость процессов, формирующих случайные импульсы тока, причем процессы (механизмы) включения и выключения тока с ростом У связаны запаздывающей положительной обратной связью. Установлено, что МП процесс является стохастическим нестационарным и вырождающимся процессом.

5. Показано, что амплитудно-временные группировки параметров МП'процесса и их связанность приводят к новым представлениям о формирующих процессах в МП токовой стохастической системе. Приведены основные свойства и параметры, которые могут быть положены в основу построения новой модели.

Представляется перспективным дальнейшее развитие системного взгляда на МП в р-п-переходах с учетом новых закономерностей динамики ее развития, а в практическом плане использование обнаруженной корреляции технологических свойств МП с описывающими ее параметрами.

Основные результаты работы изложены в публикациях:

1. Кондратьев B.C., Соболев H.A. Методика исследования статистических параметров высоковольтных микроплазм. // "Технология быстродействующих силовых приборов'', Таллин,Валгус, 1984г., с.148-152.

2. Кондратьев B.C., Соболев H.A., Челноков В.Е. Температурные зависимости напряжения пробоя микроплазм в высоковольтных р-п-структурах. // "Силовые полупроводниковые приборы" Таллин, Валгус, 1986г., с.15-18. •

3. Кондратьев B.C., Соболев H.A. Временной статистический анализ процессов генерации импульсов в высоковольтных микроплазмах. //МП, 1986г., т.20, с.133-136.

4. Кондратьев B.C., Соболев H.A., Тутыгин B.C., Тиранов М.Л. Статистический анализ флуктуаций тока микроплазм в высоковольтных р-п-структурах. // Препринт ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР, № 1252, Ленинград, 1983г., 58с.

5. Кондратьев B.C., Попов И.В., Стрельчук A.M., Тутыгин B.C. Динамика флуктуаций лавинного тока микроплазм в SiC р-п-

структурах. // В сб.докладов У Всесоюзной конференции "Флуктуационные явления в физических системах", Вильнюс, 1988г., с.75-77.

6. Кондратьев B.C., Попов И.В., Стрельчук A.M., Тиранов M.JI. Электрические характеристики и напряжение пробоя микроплазм в низковольтных карбид-кремниевых р-п-структурах. // ФТП, 1990г., т.24, с.647-652.

7. Кондратьев B.C., Тутыгин B.C., Тиранов М.Л., Ходасевич A.B. Комплекс для автоматизации исследований флуктуационных процессов. // Инф.-справ.листок Лен.ЦНТИ 1? 647-89. Л: Лен.ЦНТИ, 1989, Зс.

8. Кондратьев B.C., Тираног М.Л., Тутыгин B.C., Ходасевич A.B. Статистический анализ импульсных потоков в физических системах. // Проблемы передачи и обработки информации. Межвуз. сб., Л., ЛИАП, 1990, с.43-48.

9. Кондратьев Б.С., Попов И.В. Современные представления о формировании тока микроплазм. // Тезисы докл.кояф. "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах". М., Черноголовка, 1990, с.3-4,

10. KondiQtjeV ß. Popov I.V. MLCzop&kimaj ant/ cuizetri fluctuationi ¿л -sifaon ¿azviWp-n sizticfurej. Ц 3-г Int. Сон£ он J/noiph. ¿W CiLifraf. Л£ (1С A CS С >30). USA. Wcbshtyton, <930, р. /е.

11. Кондратьев B.C., Попов И.В., Стрельчук A.M., Тиранов М.Л. Способ определения температурного коэффициента напряжения пробоя в полупроводниковых р-п-структурах. Авт.свид. СССР № I55II73 от 10.12.89г.

РТП ЛИЯФ,зак.34,тир.100,уч.-изд.л.0,8;11/Х1-1991г. Бесплатно