Дослiдження природи надлишкового шуму в напiвпровiдниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

АКАДЕМ1Я НАУК УКРА1НИ IHC-^ТУТ Ф13ИКИ НАП1ВПР0В1ДНИК1В

На правах рукопису

ПЕТРИЧУК МИХАЙЛО ВАСИЛЬОВИЧ

ДОСЛ1ДЙЕННЯ ПРИРОДИ НАДЛИШКОВОГО ШУМУ В НАП1ВПРОВ1ДНИКАХ

01.04.10 - <Jii3ffica нап1впров1дник1в i д1електрик!в

Автореферат дисертацИ на здобугтя наукового ступени кандидата ф1зико-математичн'их наук

Ки1в - I9S3

Дисертац1я е рукопис.

Робота виконана в Хнститут! ф1зики нап1впров1дник1в АН Укра1ни

Наугсовий кер1вник: доктор ф1зико-математичних наук, професор Лук'янчикова Натал1я Борис1вна

Зф1ц1йн1 опоненти:

I..Доктор ф1зико-математичних наук, профеоор Сальков €вген1й Андр1яович

2. Кандидат ф!зико-мзтематичних наук, доцент Ткаченко Микола Миколайович

Пров1дна орган1зац1я - Пол1техн1чний 1яститут, М1н1стерство осв! ти Укра1ни, м.Ки1в

Вахист в!дбудеться " /р' <0 1993 р. на зас!данн1 Спец: ал!зовано1 вчено! ради К 016.25.01 при 1нститут1 ф1зики нагИвпрс в1дник1в АН Укра1ни (252650, м.Ки1в-28, Проспект Науки, 45).

3 диоертац!ею мошна ознайомитися в науков1Я б!бл1отец1 1нсти туту ф!змси нап1впров1дник1в АН Укра!ни,' м.Ки1в.

Автореферат роз!сланий "_"_1993 р.

Вчений оекретар Спец1ал1зовано1 вчено! ради

Беляев О С

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальнкггъ тени. Робота присвячена досл1дженню иехан1зм1в формування надлишкового шуму в на п1впров1д никах, причому дал г нова йтиме не тх'льки про так званий 1//-шум, але я про надлишковий 61-лий шум в б1полярних транзисторних структурах. Так1 досл1дження нають велике значения як для ф1зики, так 1 для техн1ки нап1впро-в!дник1в. ■ '

1нтерес до 1//-шуму зумовлений такими обставинами. Надлишко-вий шум - це, в першу чергу, 1//-шум. Незважаючи на те, що в!н ви-вчаеться вже к1лька десятир!ч, природа його до к!нця не встановле,-де. Тону одержання нових ведомостей про I//-шум 1 законом1рносгей його повед!нки мае особливий науковий 1нтерес.

Що стосуеться надлишкового б 1лого шуму в транзисторах; то це явнще спостер1гаеться досить р1дко 1 мало вивчене. Ясно, що ви-яснення його природи дозволить розширити 1снуюч1 уявлення про особливосп флуктуац1йних процес1в, як1 прот1кають в транзисторних структурах.

Досл1дшення надлишкового шуму будь-якого типу кадзвичайна важливе 1 з практично! точки зору. Справа в тому, що надлишковий шум - це шум, в!д якого' в принцип! можна позбавитися. Розум1ння механ!зм1в його формування дозволить знаходити ефективн! шляхк зниження такого шуму 1, отже, п1двищення чутливост! нап1впров1дни-кових прилад!в.

Метою роботи було встановлення ф1зичних механ1зм1в формування надлишкового шуму в нап!впров1дникових транзисторах 1 резисторах шляхом розробки'новкх метод!в досл1дження такого шуму, проведения комплексу необх1дних для реал1зацП цих метод!в вим1рчвань 1 анал!зу одержан их результат^. , '

Наукова новизна роботи.

1. Доведено, що в транзисторах ¡з виооким 1 оередн1м р1внем шуму переважав 1//-иум, зумовлений флуктуац1ями ширини ем1терного переходу внасл!док флуктуац1й заповненосг! електронами центр1в у зб!дменому шар! цього переходу."' .

2. Показано, что джер'с ю 1//-шуму, переважаючого в транзисторах з низьким його р1внем, не т1лыш як1сно, але й к13гьк1ско може бути описане моделлю, яка зв'язуе це » ш^м з процесами розс!яння

носИв струму при 1х дифузИ через ем!терну область.

3. Виявл'ено ефект кореляцЛ м1и коефЩ1Бнтом Хоуге аи, що ха-рактеризуе в1дносний р!вень 1//-шуму, 1 часом життя носПв струму х ь нап1.впров1дниках, який проявляеться в тому, що величина 1х в1'дкошення а/т збер!гаеться практично незм!нною в умовах, коли п!д впливом р1зних фактор!в сам! ц! величини 1стотно зм1нюються.

4. Показано, что виявлений в досл1джених транзисторах надлиш-ковия 61лий шум пояснюеться модуляд1ею колекторного струму флукту-ац1ями ширини бази, причиною якмх е флуктуацИ об'емного заряду на рекомб1нац!йних центрах в ем!терному переход!.

Практична ц!нн1сть робота.

1. Розроблеко нов1 методи, як1 дозволяють експериментально 1дентиф1кувати шум, зумовлений флуктуац!ями ширини ем 1терного переходу, а такош доказувати в1дсутн1сгь зв'язку шуму, що спосгер1-гаеться, з такими флуктуаЩями. Методи можна використати для ана-л!зу шуму з будь-якою формою спектру.

2. Розроблено експериментальн1 методи виявлення надлишкового б1лого шуму в б1полярних транзисторах 1 вияснення його дшерел.

3. Знайдено макроскоп1чн1 параметри, пов'язан1 з 1нтенсивно-стяни основних джерел 1//-шуму в транзисторах, як1 е необх!дними при розробц! транзистор1в з низьким р1вйем шуму.

В1рог1дн1сть одержан их результат!^ п!дтверджуеться додержанням не-обх!дних вимог до метролог 1чного забезпечення експерименту та ма-тематично1 обробки результата вим!рювань, погод жен 1стю м1ж роз-робленими модельними уявленнями та отриманкми екшериментальнимй результатами, в тому числ1 даними 1нтих автор1в.

На-захист виносяться так! положения:

1. Низькочастотний надлишковш шум, що спостер1гався вдосл!-джених зразках, за сва1м р!внем 1 характерними особливостями е типовым для широкого класу сучасних б1полярних транзистор1в.

2. 1снують два р1зн1 ф1зичн1 механ!зми формування 1//-шуму, що спосгер1гаеться в СШолярних транзисторах.

Перший з цих механ1зм1в полягаз в тому, що флуктуацИ ширини ем!терного переходу, зумовлен!. флуктуац!ями заряду на центрах у зб!дненому ем!терному шар!, модулюють базовий струм (його рекомбЬ нац1йну. компоненту), а такок товщину Оази 1, як насл1док, колек-

г

торний струн.

Другий мехаШзм не зв'язании з флуктуац!ями заповненносг1 центр1в в емггерному Переход!, б п!дстави допустити, що в!н при-зводить до флуктуац!й, як! супроводжують процвс розсШтя нос!1в струму при"' 1х дифузИ через ем1терну область з насгупною рекомб!-нац1ею на ем1терному контакт!. Зумовлений цим механ!змом 1//-шум проявлявться в транзисторах з низьким р!внем шуму.

3. За допомогою розвинутого в робот! методу можна встановдю-вати експериментально, з яким !з вказаних механ1зм!в пов'язаний шум, що стюстер!гаеться в кожному конкретному випадку.

4. М1ж I//-шумом ! наявн±сгю гвн9рац1ино-рекомб1нац!йних продев у нап!впров!днику !снув взаемозв'язок,- який проявлявться у вигляд! кореляцП м!ж коеф!ц!ентом Хоуге ан, :що -характеризуй р1-вень 1//-шуму, ! часом життя нос11в струму г, 1 полягае в тому, що величина в!дношення ан/х залишаеться практично пост!йною в широкому д1апазон! зм!ни обох величин.

5. Б1 лий шум колекторного струму, в «явлений в до ал 1д жен их транзисторах, е надлишковим 1 пояснюегься модуляц1ею колекторного струму флуктуац1ями ширини бази, причина яких - флуктуацП об'ем-ного заряду на рекомб!нац!йних центрах в ематерному дареход1.

6. Вюсористовуючи. результата проведеного в робот! анал!зу температурних характеристик б!лого шуму в транзисторах, мокна ви-значити, яке з мошшвих його джерел реал!зуеться в кожному конкретному випадку. : '

Апробац1я роботи. Результати дисертац1йно! роботи допов!Дались на X М1жнародн1й конференцИ по шуму в ф!зичних системах (Будапешт, 1989р.), на V 1 VI Всесоюзних науковмх конференц!ях иФлуктуац1йН1 явища в ф1зичних системах" (Паланга, 1988 и 1991 рр.).

ПублжацИ. За темою дисертацИ опублжовано 6 роб!т.

Структура та об'ем дисертацИ. Робота складаеться !з вступу та чо-тирьох роздШв. Бона викладена на стор1нках, включаючи малюнк1в ! список л!тератури-з найменувань.

КОРОВИЙ ЗМ1СТ ГОБОТИ.

У встуЩ обгрунтована актучлг'!с ь теми'дисертацИ, сформу-

льовака мета робота, вказан! 11 новизна 1 практична ц1нн1сть, а таком приведено список наукових положенъ, що виносяться на захист.

В пэршому розд!л! представлено основн1 положения математично-го апису шуму. Подано огляд теоретичних 1 експериментальних ре-, зультаттв дооладжень переважно 1/7Ч11уму.в нап1впров1дникових одко-р1дних резисторах 1 б!полярних транзисторах. Приведен! його вла-сггивост!, а також 1снуюч1 модел! й гшотези щодо його походження. Возглянуто шум нап1впров1дш!кових структур з потенцШнкми бар'ерами, зокрема, б!полярних транзистор!в. 0писан1 генерац1йно-рекомб1-нацКш! процеси у збЩнен1й област1 р-л-переходу.

Другия розд1л дисертацИ присвячений з'ясуванню природи над-лишкового 1//-шуму в б!полярних транзисторах,

Досл!джен! зразки являли собою тестов! елементи кпкросхем. Кожен елэмент в&ащував у собх два р'пр-транзистори, один з яких мав в!дносно топку (0.4 + 0.6 мкм) 1 слабше леговану (#д= (О.Б + 1.0) .101осм~3) базу (зразки I типу), а другия - б!льш товсту (0.6 + 0.9 мкм) сильно леговану (??А= (0.5 + 1.0).1017см"э) базу (зразки II типу). Вим!рювання проводили на р!зних парт!ях структур, виго-товлэ.ншс або в р!зшш час, або в р1зних технолог!чних режимах.

Шумов! спектри Б. (/) доел вздували на частотах / = 20 Гц + 20 кГц при зм!н! в широгеих ыежах колекторного ! базового струм1в.

Виы!рювання проводили при вв!мкненн1 транзистора по схем! !з спЗльним ем!терш, При цьому вим1рювали спектри шуму колекторного струму у двох режимах роботи. В першому з них 1ьшеданс на вход1 транзистора Оув !стотио б1льшим, н!и його внутр1шн!й вх!днийИмпеданс (рэким холостого ходу), а в другому - значно мэншм (режим короткого замнкання). Пом1рян1 вэлнчини й. для першого 1 другого резким!в позначались в!дпов1дно як 3" и В результат! проведено-го анал!зу екв1валэнтно1 шумово! схеми транзистора .одержано умови, в яких за допокогои пом1ряних спектр!в б" (Я ! мокна знайти

спектр генератора иуку базового струму 5„(Л 1 спектр генератора шуод колэкторного струму (/). Показано, що при наявносг1 таких уков повед!н{са воллчш Я1' 1 повинна мати ряд характерных особ-ливостей, виявлэння яких експернментальним шляхом мае св!дчити про виконання потр!бних уков.

З'ясувалося, що для дослЗдауваного 1//-шуму так! умови.мали к1сце, 1 це дозволило знайти характерн! для нього величкни 5п 1 Ось що показав анал1з осоСдквостей.

I. При одному 1 тому к значенн! базового струму. 1С величшш '

Sn в pi3HHX зразках мржуть íctotho (на 1-2 порядки) в!др1знятися один вЩ одного. При цьому в транзисторах 1з середн1м i високим р1внем шуму для даного зразка мало Micue Sn~ t^. Винятком буди т!льки транзистори з наянижчим р!внем шуму, в яких Sn ~ 1б.

2. Значения Sn, як! спостер1галися в експерименП, сп!впада-ють з аналоПчними значениями, що приводиться 1ншими авторами як для шуму з Sn - i*, так i для шуму з Sn ~ ie. Це значить, що дже-рела 1//-шуму, як! проявлялися в досл!дшених зразках, типов1 для

.бзлолярних транзисгор1в.

3. Знайден1 для р1зних зразк!в значения SK, як i значения Sn, характеризуются досить великим д!апазоном' величин при одному 1. юлу ж колекторному струмов1 (к. При цьому для зразк1в з Sn - í^ аналопчна залежи1сть мае Micue i для шумового генератора колек-торного струму, а саме SK ~ I

4. Разом з тим i статною особливкггю транзисторгв з низьким рхвнем шуму, в яких Sn ~ 1б, було те, що I// - компонента в спек-Tpi SK(/) була вхдсутня до само! низько! частоти вим1рювання. Це означало, що генератор 1//-шуму кодекторного струму в таких транзисторах не проявлявся.

Анал1з одершаних результат1в показав, що в дослДджених транзисторах проявляються два pi3Hi Ф1зичн1 мвхан1зми формування 1//-шуму.

При сп1вставленн1 даних по д1апазону величин Sn 1 SK, що спо-стер1галися в р1зних транзисторах, Оуло пом1чено, що величини SK виявляються большими саме в тих зразках, в яких- спостер!гаються б5льш! значения Sn, i навпаки. Цей факт дозволив припустити, що наявнЮть ооох шумових генератор!в (Sn 'и SK) зумовлена одн!ею аШьною фхзичною причиною, якою можуть бути, наприклад, флуктуацИ заселеност1 центр1в у зб!дненому шар1 ем1терного переходу.

Д1йсно, через те що так! центри обм!нюються нос1ями струму 1з с- Цабо) и-зонами i такий oOmíh носить сгатистичний характер, по-д1бн! флуктуацИ завжди мають м!сце. 1х ..асл!дком е флуктуацИ ши-рини №е збхдненого шару ем1тера, як! модулюють реком<51нац1йну компоненту базового струму (що означас 1снування генератора Sn), а також ширину нейтрально! базово! област1 ti>6, оск!льки зб!днений шар ем1тера практично повн!стю зкаходиться в матер1ал! Оази. ФлуктуацИ величини в свою ч^ргу, модулюють колекторний струм, що означав !снування генера opa SK. Зроз'умьло, що чим вищий"р1вень флуктуацИ W , тим б1льше значения як Sn, так 1 SK.

Проведений в робот! теоретичний анал1з тако! модел.1 показав, що у випадку И реал!зац11 на практиц! вим!рюван! значения величин ^ и ^ повинн! в!дпов1дати такому сп!вв1дношенкю:

= 1.3(!Уб/1Ге)г (I)

Розглянута модель мае передумовою р1вном!рний розподал джерел шуму по площ± ем!терного переходу, тобто в моделлю об'емного шуму.

Оск!лькй значения шб в!дом1, а можна оц!нити, знаючи параметри структури 1 режим 11 роОоти, сп1вв1дношення (I) легко п1ддавться експеримвнтальн1й перев1рц1. Виявклось, що у випадку I//-шуму, що спостер1гаеться в транзисторах 1з середн!м 1 високим р!внем такого шуму, для яких мало м1сце 5п ~ 1 ~ I*, експе-риментальн1 значения величини добре задовольняють сп!вв1д-

ношению (I) у всьому досл1дшеному интервал 1 струм 1в як для транзистор^ I типу, так 1 для транзистор1в II типу, величини (шб/(Ге)2 для яких розр1знялись на п!втора порядки. При цьому, як 1 оч1кува-лось на п1дстав1 (I), для р1зних зразк1в даного типу, як1 мають р1зн! значешя и 5К, величини г"Оули однаковими 1 дор1вню-вали величин! ЬЗ^/П^)2. Викладене вшце дозволило зробити висно-вок, що розглянутий 1//-шум зумовлений обговорюваним механ!змом, тобто флуктуоц1ями числа електрон1в Н8 центрах у зб!диеному шар1 ем 1терного переходу.

Тут варто звернути увагу на так1 обставини.

0писан1 результата е прямим експериментальним доказом ЮТу-вання об'емного 1//-шуму, зумовленого флуктуац1ями числа електро-н!в. Це мае велике значения у зв'язку з ЮТуванням так званих Н-модел1 1 |д.-«юдел! 1//-иуму; осгання пршшсуе такий шум флуктуа-ц!ям рухливост1 нос11в струму.

В процес1 описаних досл1джень розроблено новий метод експери-ментально1 1дентиф1кац11 шуму, зумовленого розглянутим вище ф1зич-ним механ1змом, причому цей метод застооовний до шуму з будь-яким видом спектру. Для 1//-шуму це особливо важливо, тому що дозволяв використовувати метод, не вдаючись до пошук!в причин I// форми спектру, як! до цього часу до к!нця не зрозум!л1.

Зрештою, можна ствердаувати, шо якщо екгжзримеягальн! резуль-тати задовольняють нер1вност!

> 1.3(юбЛГв)*, (2)

то ф!зичний механ!зм формування генератора пгуму базового струму

в1др!зняеться в!д описаного вище. Таким чином, знайдено метод, який дозволяв встановлювати в1дсутн!сть зв'язку шуму базового струму з флуктуац!ями об'емного заряду в ем1терному переход!.

Виявилося, що у випадку 1//-шуму в транзисторах з низьким йо-го р!внем', для яких мало м1сце 1а, експериментальн1 значения в1дношбння Б" (/)/!%(;') задовольняли нер1вност! (2). Це означало, що 1//-шум в таких транзисторах мав !ншу, в!дм1нну в1д т!е!, що проявляеться в транзисторах !з середн!м ! високим р!внем 1//-шуму, природу. Оск!льки для цього шуму (б, то, подаючи у вигляд!.-

Бл = В-¿Я-, (3)

,можна характеризувати 1нтенсивн!сть такого- шуму коефпЦентом В, який виявився р!вним величин! порядку 10"'7А.

У робот1 вдалося знайти аргумент на користь того, що цей шум можо знайти свое пояснения в рамках модел! Кляйнпенн1нга (II, Ця модель передбачае, що 1//-шум супроводауе процес розс!яння неос-новних носИв (в даному випадку д!рок), як! !нжектован! в ем!тер 1 дифундують до ем1терного контакту. Зг!дно з ц!ею моделлю маемо: а е1а

Бп = И, (4)

до ан - коеф!ц1ент ХоуГе, е - за^тд електрона, И - коеф!ц!ент порядку одиниц!, % - час гаття неосновних носИв в ем!терн1й облас-т!, який визначаеться часом 1х дифузИ через цю область.

1з (3) й (4) випливае, що якщо розглянутий 1//-шум опису-еться моделлю Кляйнпенн!нга, то для нього повинно, мати м1сце:

В - -~еМ. (5)

Таким чином, для з'ясування питания про застосовн!сть ц!е1 модвл! необх1дно знайти значения аи 1 т або 1х в1дношення с^/т для даного випадку. Зауважимо, що величину г можна легко оцхнити за допомогою формули т =. де V - товщина нейтрально1 облает!

ем!тера, а коеф!ц!ент амбЗлолярно! дифузИ .для ц1е! облает!. Що-стосуеться величини ан, то, як було показано вище, 11 значения можуть змшюватися в дуже широкому д!апазона, ! нема п!дсгав в!д-давати перевагу в даному випадку якому-небудь з них.

Вих1д 3' ц!е! сктуацН вдалося знайти на основ! результата, одержаних при вивченн! зчайденого-ефекту кореляцИ м1ж величинами ан ! х ! описаних в третьому розд!л!.

Отже, основними результатами цру-ого розд!лу е так!.

1. Встаяовлено !снування двох дшерел 1//-шуму, тилових для б!подярних транзистор!в, 1 детально' досл!джено !х властивост1.

2. Доказано, что в транзисторах з високим 1 середн!м р!внем шуму переважае 1//-шум, зумовлений фшуктуац!ями ширини ем!терного пореходу внасладок флуктуагцй зоповненост! електронами центр1в у зб!дненому шар! цьог'о переходу.

3. Доказано, что 1//-шум, який спостер!гаеться в транзисторах з низьким р!внем шуму, не зв'язаний з описаними вшце флуктуац!ями.

4. Розроблено нов! методи, як! дозволяють експериментально 1дентиф1кувати шум, зумовлений флуктуац!ями ширини ем!терного переходу, а такок встановлювати в!Дсутн!сть зв'язку шуму, що спосте-р!гаеться в транзисторах, з такими флуктуац1ями. Ц! методи придат-н! для шуму з будь-якою формою спектру.

Трет!й розд!л присвячений експериментальному досладженню характеру зм!н коеф!ц1ента Хоуге ан в залежност! в1д часу життя но-с11в струму в нап!впров1днику. Постановка цих досл!дшень Оула продиктована тим, що стали вХцомими факти, як! св!дчать про можли-в!сть !снування певного взаемозв'язку м!к цими величинами.

ОС'ектом досл!дження були наШвпровЩников! резистори. Такий виО!р зумовлений насамперед тим, що, на в1дм!ну в!д транзистор!в 1 д1од1в, в яких !з експериментальних значень можна визначати т!льки в!дношання ан/% (див.(4)), в резистор! величина ан може бути вим!ряна безпосередньо. Дгясно, в1домо, що в монополярному резистор1 1//-шум описуеться такою формулою (формула Хоуге):

^ ан

= Ж' <6)

де Э. - спектральна щ!льн!сть струмового шуму,' ( - струм, який прот!кас через резистор, N - повне число нос!1в струму в ньому. Тому, вим!рявши ! I ! визначивши N. можна легко знайти о^.

Кр1м того, в резисторах можна реал1зувати умови, за яких час шиття нос!1в струму буде визначатися р!зними ф!зичними процесами, в тому числ! 1 подЮними тим, як! !снують в транзистор!. М.аеться на уваз! рекомб!лац1я в тонк!й нап!впров!дников!й пластин! (в як1й а < ^даф. Л® товщина пласгини, - довжина амбйолярно! ди-фуз!1) з великою швидк1стю поверхнево! рс комбЗлацИ, коли час життя електронно-д!рочних пар визначаеться часом !х дифуз!! до повер-хн!. 0ск1льки так! умови в!дносно легко забезпечити в германП, в якому 1даф може при 300 К досягати величини в к!лька мхламетргв, експерименти проводили на Се - пластинах.

Потр!бно також в1дзначити, що нап!впров!дников! резисторй як об'ект для-проведения вказаних досл!джень мають 1 ще одну важливу перевагу. Справа в тому, що, вим!рюючи спектри струмового шуму не т!льки в облает! I// - компоненты, але й на б!льш високих частотах, де переважае ГР шум, мокна зняходити час життя носНв струму т. Робиться це таким способом. 0ск1льки для ГР шуму Ц-но2-^)^ де ш = 2%f, тобто при / < (2тса )"* = / в иого спектр! спостер1га-еться плато, в облает! якого Б. Ф Si^f), а при / > /„ величина й. швидко зменшуеться з ростом /, то значения т знаходять за формулою г = (2тс/оГ; де - частота, при як!й спектральна густи на ГР шуму в 2 рази менша, н1ж в обхает! плато. Б!льше того, !з спектр!в ГР шуму можна за допомогою метод1в шумово! спектроскоп!! знаходити параметри центр!в, як1 визначають величину т, а також с>дити про характер в!дпов!диих електронних переход!в.

Таким чином, осо<5лив!стю використано! методики Суло те, що як величини ан, так 1 величини т визначали !з вим!ряних шумових спек-тр!в. Кр^м того, треба б!дм!тити, що так1 вим!рювання були неза-лежними, оск!льки для визначення ан ! ч використовувались р!зн! частини спектр1в, як! в1дпов!дапть р!зиим ф!зичним механ1змам.

. Се пластики, на яшх проводили вим!рюьання, (, .ли товщину й = (0.04 4 0.1) см ! були виготовлен! з матер!алу л - типу (р = 40 Ом-см). ООидв! широк! гран! пластини шл!фували, що забезпечувало високу швидкклъ поверхнево! рекомб!нац!1.

Величину % в цих експериментах зм!нювали або шляхом зм!ни температури в !нтервал! 300 + 130 К, асо шляхом викОристання пластин р!зно! товщини при Г = 300 К. 0ск!льки в останньому випадку т визначалося дифуя!ею до широких граней (т « сгг/4Иа), то зм1на й у вказаних вище межах дозволяла зм1нювати 1 приблизно в 6 раз1в,.

При- температурних доелдаеннях значен1 т т вдалося зм1нювати приблизно в 40 раз!в, причому в !нтервал! Т = 300 + 250 К величина г !з зниженням температури падала, а в област1 Г = 250 + 130 К -зростала. Було знайдено, що аналог1чний вигляд мала 1 залежн!сть ан(Г), так що в!дношення ан/т залишалось практично незалешним в1д Г. Б1льше того, виявилось, що величини о^/а для р1зних зразк1в практично сп!впадйють, змшюючись в!д 50 до 70 с"1. Величин-:г ан в цих дослЩах зм!нювалися в'д!апазон! 3.10"*+ 2-Ю"2.

Анал!з спектр!в ГР шуму показав, що в облает! росту т 'з 3"э-ншенням Г величини х визначаються процесами обм!ну електронами с-зони з двома р1внями з р1зною глибиною. Визначено !х параметри. В

облает! Т > 250 К величина х визначалась до Т « 265 К об'емною ре-комб!нац!ею, а при !Г > 265 К - дифуз!ею до поверхн!..

Таким чином, пост1йн1сгь величини аи/ч в дослгжденому !нтер-вал1 температур означала, що в1дношенна ан/т не залежало в1д типу дискретного р!вня, захват на який визначав величину т, характеру процес!в обм1ну (рекомб1нац!я, прилипания), а також того, вадбува-еться захват в об'ем1 зразка чи на його поверхн!. 1ншими словами, знайдений ефект кореляцИ ан 1 т видаеться досить унхверсальним.

Цеи ефект п!дтвердився результатами досл1д!в, проведених на зразках р1зно! товщини й. Було виявлено, що в пластинах з р1зною величиною (3, в яких на досл1д! мало м1сце т ~ й2, величина ан такой була р1зною, зм!нюючись в !нтервал! в1д 1.2.10"9 до Ю"2, при-чому 1з зб!Лыденням <2 величина ан л!н!йно зростала з в!дпов!дним ростом т. При цьому виявилось, що щ в1дношения ан/т залишаеться пост!йним у всьому досд!дженому д1апазон1 й 1 дор1внюе 55 с"1, тобто практично сп1вдадав з величинами, одержаними за результатами темпера"-урних досл!дшень.

В робот1 приведено деяк! м!ркування на користь того, що причиною знайдено! кореляцИ аи з т могло 0 бути те, що 1//-шум су-проводауе деяк! процеси сильно! гратково! релаксац!!, як! виника-ють внаслШж прот1кання в нап1впров!днику ГР процес1в.

Звернемось до результатов досл!дження 1//-шуму в транзисторах низьким р1внем шуму, Якщо скористатися в (5) величиною ан/т = (50+70)с"1, то одержимо: В = (0.8 + 1.2) •Ю~17А, що апвпадае з експериментальними значениями В для 1//-шуму в таких транзисторах. Це дозволяв зробити висновок, що джерелом I//- шуму транзистор1в з низьким його р!внем е флуктуацИ швидкост! дифуз!! носИв заряду в ем!терн1й облает!.

Таким чином, в результат! досл1джень, описаних у третьому розд1л1, вдалося:

а) виявити ефект кореляцИ м1к величинами ан и г;

б) встановити, що в широкому д1апазон1 значень обох цих величин 1х в1дношення ан/т залишаеться практично незм1нним;

в) показати, що джерело 1//-шуму, який перевашае в транзисторах з низьким його р1внем, не т!льки як!сно, але й к!льк1сно мокэ бути ог заним Моделлю, яка пояснюв цея шум процесами розс!яння но-с11в струму при 1х дифуз11 через ем!терну область.

У четвертому гкмд1л1 приведено результати досл!дження природи надлишкового б!лого шуму колекторного струму, виявленого в досл!д-

жених транзисторах 12].

Нагадаемо, що б!лим називаеться шум, спектральна гусгина яко-го не залежить в!д частота, i тому в спектр! такому шуму в1дпов1-дае плато. Цю компоненту надлишкового шуму спостер!гали т1льки в спектрах до того ж в1дпов!дне плато у випадку транзистор1в

з виооким i середн1м р!внем 1//-шуму проявлялось при / > I кГц, а у випадку транзистар!в з низьким р!внем 1//-шуму, в яких I// -компонента в спектрах SuJf) була в1дсутня, це плато спостер1гали вив при найнижчих частотах вим!рювання, тобто при / м 20 Гц. Для вс1х доел1джених структур це плато простягалось до самих високих частот вим1рювання, тобто до 100 кГц.

Вакливою особлив1стю даного б!лого шуму було те, що значения sVt* Оули б!льшими в транзисторах першого типу, тобто з"; ростом величини ff в!дносна !нтенсивн1сть шуму зб!льшувалась.

Показано, що про надлишковий характер розглянутого б!лого шуму св1дчить не т1льки те, що його спектральна гусТина в к1лька ра-3iB перевищуе р1вень шуму , зумовленого тепловим шумом опору бази i дробовими флуктуац!ями базового i колекторного струму, але 1 той факт, що повед!нка температурних i струяових характеристик цього шуму протир!чить його зв'язку з будь-яким 1з перечьолених трив!-альних дшерел б1лого шуму. Д!йсно, було знайдено, що в Д!апазон! температур (200*350)К величина S^/l*, вим1ряна при lQ Г) = const, не залежала в!д температури. Разом з тим у випадку, коли значения (к. i t6 зм1нювали шляхом зм!ни напруги на ем1терному переход! при Г = 300 К, величина S^/i* зм1нювалась, причому мало м!сце S*7t* ~ з-о.5>^ проведений в робот! анал1з покгазав, що н! теплов1, н1 дробов! флуктуацИ таких залежностей дати не можуть.

Розглянуто так! можлив! механ1зми формування б1лого шуму:

1) флуктуацИ базового струму, як! нав!ть в реким1 короткого зами-кання можуть передаватися в колекторне коло;

2) флуктуацИ пров!дност1 базового опору;

3) шум нейтрально1 ем!терно! област1 1 ем!терного контакту;

4) флуктуацИ пров!дност! нейтрально1 област1 колектора 1 контакту до нього;

5) теплов! флуктуацИ в базовому опор! в умовах, коли ; d > 2kT/ei6, де гб - onip Сази СЗ]; •

Б) ГР флуктуацИ заповненост! електронами центр!в у зб1дненом_, ша

pi колекторного переходу; 7) аналог!ч! флуктуацИ у зб!дненому шар! ем!терного переходу.

Показано, що у першому випадку надлишковий 01лий шум повинен спосгер1гатися не т!льки в режим! короткого замикання, але 1 в режим i холостого ходу, що не сп1впадае з експериментом. Для другого механ1зму величина повинна була б не зменшуватися з ростом

1б, як було в експеримент1, а зростати; в третьому к i шостому ви-падках ця величина взагал! не повинна була б залежати н! в1д н! в1д шб, н! в!д Иб, що суперечить експериментальним результатам.

Що стосуеться четвертого механхзму. то, як показали вим1рю-вання шуму прямозм!щеного колекторного переходу, його спектральна густина в ц!й же облает! струм1в виявилась набагато меншою за величину Це св1дчить про незначну роль i цього механ1зму.

0ск1льки на практиц! виконувалась умова га < 2kT/el6, то зро-зум!ло, що джерелом даного надлишкового шуму не Mir бути ! п'ятий !з наведених вище механ!зм!в.

Разом з тим в робот! показано, що ГР флуктуацИ електронного заповнення центр1в в ем!терному переход! (див. п.7) е досить' реальною прич.шою розглянутого шуму.

Проанал1зовано два можливих дшерела таких флуктуац1й. Перший зумовлюеться процесом рекомб!нац!1 на центрах, тобто 1х обм!ном з обома зонами (так званий рекомб!нац1йний шум). Другий - обмшом центр!в ,т!льки з с-зоною або т!льки з v-зоною (шум прилипания). В npoueci такого анал1зу Д0сл!Дили теоретично i пор1вняли з експериментом температуря! ! струмов1 залежност1 величини sVi*, при цьо-му теоретичн! досл1дження проводили на основ! приведених в [41 ре-зультат!в розгляду шуму обох тип!в. При цьому запропоновано i реа-л1зовано метод, за допомогою якого можна знаходити необх!дн! для такого пор1вняння температурн! залежност1 рекомб1нац1йно1 компо-ненти базового струму i висоти потенц!йного бар'еру ем1терного переходу, як.1 реал!зувалися в експериментальних умо&ах, тобто при 1&(Т) = const, 1з пом!ряно! в цих умовах температурно! залежност! колекторного струму tK(TK

В результат! було знайдено, що особливост1 шумових характеристик, як1 спостер!галися експериментально, знаходять свое пояснения в рамках модел! рекомб!нац!йного шуму, до того ж для реком-б1нац1иних центр!в повинно мати м1сце: опор~ Тг, дв i = 2.5 + 3.5, що ц1..крм реально, наприклад, для золота в кремнИ. В той же час виявилося, що флуктуацИ заряду на центрах прилипания не можуть привести до таких особливостей шумових характеристик.

Таким чином, надлишковий б!лий шум колекторного струму знахо-

дить свое пояснения в рамках модел!, описвно! у другому розд!л!.

В робот! показано, що в1дсутн1сть в1дпов!дного надлншкового шуму в спектрi S" не супёречить зробленому висновку. Д1йсно, вели-чини S", п1драхован! за допомогою (2) по вим!ряних значениях S^ для розглянутого 01лого шуглу, виявилися злачно шякчими за р!вень S1', зумовлений дробовим шумом базового струму, який i спосгер!гав-ся на практиц1. Саме тому було немоиливим використовувати метод, запропонований у другому розд1л1, для п1дтвердження зроблеиого вище висновку про природу розглянутого 01лого шуму.

Отже, в четвертому розд!л1 показано, що б'1лий шум, який спо-стер!гаеться в колекторному струм! досл1джеиих транзистор!в, s надлишковим ! зумовлений модуляц!ею колекторного струму флуктуац!-ями ширини бази, причиною яких е флуктуацП об'емного заряду на рекомб!нац!йних центрах в ем!терному переход!. KpiM того, знайдено особливост! температурних i струмових характеристик надлншкового б!лого шуму транзисторно! структури для р!зних момливих' його дже-рел, що меже бути викорисгано для !дентиф!кац!1 в1дпов1дних меха-н!зм1в формування такого шуму. Запропоновано також ориг1налышй метод визначення температурних залежностей ряду нешумових парамет-piB транзисторно! структури.

. висновки

У загальному вигляд! основн! результати роботи так!:

1. Гснують, щонайменше, два р!зн! ф1зтнг мвхаи1зми формуван- , ня надлншкового шуму, що спосггёр!гаеться в бшолярних транзисто-"" pax. Перший isr цнх механ!зм1в зумовлений флуктуаЩями заряду на центрах у зб!дненому ем!терному mapi 1 може призвести до !снування як I//, так: ! б!лого надлншкового шуму.

Другий механ!зм не зв'пзаний з такими флуктуац!ями. 6 п!дсга-ви допуститй, що Bin призводить до флуктуаЩй, як! супроводжують' розс!яння носИв струму при 1х дафузИ через ем!терну область. Зумовлений цим мэхан!змом" 1//-шум проявлязться в транзисторах з низьким його р!внем."

2. Виявлено ефект кореляцИ м!ж коеф!ц!ентом Хоуге а[{, xa-рактеризуе в!дноснйй р1вень 1//-шуму, ! часом життя носИв струм/'" т в нап1впров!дниках, який проявляэться в тому,.що величина jc вадношення ан/т збер1гаеться практично незм!нною в умовах, коли п!д впливом р!зних фактор!в сам! ц! величини Ictotho зм!ншться.

3. Розроблений в робот! метод дозволяв встановлювати експери-ментально, з яким 1з вказаних махан!зм1в формування надлишкового шуму в б1полярних транзисторах пов'язаний шум, що спостер1гаеться в кожному конкретному випадку.

ОСЩОВШ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЩ1 0ПУБЛ1К0ВАЮ В РОБОТАХ:

• I. Тез. докл. V Всесоюзн. конф. "Флуктуационные явления в физических системах". В1льнюс. 1988. с.141-143.

2. Lukyanchikova N.B., Garbar N.P., Petrlchuk M.V., Saseluk A.P. In: 10th International conference on noise In physical systems. Abstracts (Budapest, 1989). P.269-270.

3. N.В.Lukyanchikova, M.V.Petrichuk, N.P.Garbar, A.P.Sastluk and D.I.Kropman. 1//-Nolse and generation-recombination processes at discrete levels in semiconductors. Physica B. 1990. 167. P.201 - 207.

4. Лукьянчикова Н.Б., ГарСар Н.П., Петричук M.B., Кропман Д.И. Исследование механизмов формирования 1//-шума в р-п-переходах. ФТП. 1990, 24. N9. C.I659-I667.

5.. N.Lukyanchikova, N.Garbar, M.Petrlchuk. Study of the nature of excess white noise in bipolar Junction transistors. 'Proc. of th" 6th Sci. Conf. on Fluctuation Phenomena in Physical Systems. Palanga, Lithuania. 1991. P.145-149. 6. N.B. Lukyanchikova, N.P.Garbar and M.V.Petrichuk. Excess white noise in bipolar Junction transistors. Sol. St. Electron. 1992. 35. No.8. P.1179-1184.

Л1ТЕРАТУРА

IJ T.G.M.Klelnpennlng. 1// noise in p-n junction diodes. J. Vac. Sci. Techmol. A3(1), Jan/Feb 1985. P.176-182.

2. Лукьянчикова Н.Б., Гарбвр Н.П., Партыка M.B. и др. Радиотехника И электроника. 1988. 33. N2. с.400-408.

3. Hauser J.R. IEEE Trans. Electron. Dev. 1964. ED-11. No.5. P.238-242.

4. Н.Б.Лукьянчикова. Флуктуационные явления в полупроводниках и полупров цниковых приборах. М.: "Радио и связь". 1990. 295с.