Источники 1/F-шума в лавинно-пролетных диодах из арсенида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Кислицын Эдуард Борисович

ИСТОЧНИКИ 1/Р-ШУМА В ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫХ ДИОДАХ ИЗ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

Специальность: 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор С.А. Корнилов Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук СЛ. Румянцев доктор физико-математических наук, профессор Л.М. Баскин

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный технический университет

Защита состоится «1 » ^я^ть 1998 г в час на заседании диссертационного совета К 063.36.11 Санкт-Петербургского электротехнического университета имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, С-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке универститета.

Автореферат разослан

»

Ученый секретарь диссертационного совета,

Б.Е. Соботковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное исследование l/F-шума в полупроводниках началось более 30 лет тому назад, однако, интерес к этому явлению не снижается до сих пор. Проблемы l/F-шума обсуждаются на международных конференциях, в частности, на регулярно проводимой конференции «Noise in Physical Systems an 1/f fluctuations»; в 1996 г. была организована конференция «Unsolved Problems of Noise», в программе которой доклады, посвященные l/F-шумам, заняли более половины места. Внимание к l/F-шуму обусловлено сложностью объяснения его физической природы и проявлений, а также тем, что этот, сугубо низкочастотный, шум ограничивает чувствительность усилительных устройств на низких частотах и, модулируя колебания генераторов любого частотного диапазона, ухудшает их кратковременную стабильность. Одной из малоисследованных является проблема источников и поведения l/F-шума в сильных электрических полях. Помимо физического интереса, она имеет большое практическое значение, поскольку ряд современных микроволновых полупроводниковых приборов работает в условиях сильных и очень сильных полей (субмикронные полевые транзисторы, диоды Ганяа, лавинно-пролетные диоды (ЛПД)). К сожалению, освещение этой проблемы в литературе недостаточно. Предложенные модели источников l/F-шума в сильных полях не согласуются друг с другом, экспериментальные факты не нашли полного объяснения.

Целыо работы является исследование источников l/F-шума в ЛПД. Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:

• Теоретическое исследование l/F-шума ЛПД в статическом режиме работы на основе модели двух независимых источников l/F-шума: флуктуаций концентрации заряженных центров (ловушек) и флуктуаций насыщенной скорости дрейфа носителей заряда из-за рассеяния на нейтральных метастабиль-ных центрах.

• Теоретическое исследование модуляционных (амплитудных и частотных) шумов в генераторах на ЛПД с использованием упомянутой в п. 1 модели источников l/F-шума, а также с учетом конечности величины балластного сопротивления и эффекта автосмещения.

• Сравнительный анализ модуляционных l/F-шумов в генераторах на прохолотых и непроколотых ЛПД.

• Разработка методики определения интенсивности (спектральной плотности) источников l/F-шума по экспериментальным данным.

• Сопоставление результатов анализа модуляционных l/F-шумов в генераторах на ЛПД с экспериментом.

• Экспериментальное исследование влияния освещения лавинно-пролет-ных диодов на их 1/Р-шум с целью выяснения роли ловушек в его формировании.

Объектами исследования являются однопролетные ЛПД из арсенида галлия с барьером Шоттки и однородным легированием базы.

Основные методы исследования. При решении задач анализа 1/Р-шума в ЛПД использовались теория случайных процессов, теория электронных процессов в ЛПД, методика измерения низкочастотных шумов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. 1/Р-шум в ЛПД из арсенида-галлия вызывается двумя независимыми источниками: хаотическим перезарядом ловушек и флуктуациями насыщенной скорости дрейфа носителей заряда, возникающими при рассеянии носителей на нейтральных метастабильных центрах. Рассеяние на ловушках дает пренебрежимо малый вклад в формирование 1/Р-шума.

2. Основным механизмом флуктуации частоты колебаний в генераторах на непроколотых ЛПД является хаотическая модуляция емкости диода, обусловленная перезарядом ловушек. Флуктуации амплитуды колебаний связаны, главным образом, с хаотической модуляцией угла пролета носителей заряда, вызываемой флуктуациями скорости дрейфа. Низкочастотные флуктуации напряжения на диоде так же, как и флуктуации частоты обусловлены, в основном, флуктуациями заряда ловушек.

3. Корректное описание флуктуаций колебаний в генераторах на арсе-нид-галлиевых ЛПД возможно только на базе модели, предполагающей два некоррелированных источника 1/Р-шума (см. п. 1). Теоретические модели, в которых предполагается единственный источник 1/Р-шума, существенно расходится с экспериментом.

4. Эффект автосмещения и флуктуации тока питания диода могут существенно влиять на флуктуации амплитуды и частоты колебаний только при малом значении балластного сопротивления. При большой величине последнего, характерной для реальных генераторов на ЛПД, с этими факторами можно не считаться.

5. Экспериментальное исследование влияния освещения на флуктуации напряжения на диоде прямым образом указывают на участие ловушек в формировании 1/Р-шума в ЛПД и косвенно - на существование второго источника 1/Р-шума, не чувствительного к свету.

Научная новизна работы:

♦ Разработана теория 1/Р-шумов в генераторах на непроколотых ЛПД, в основе которой лежит предположение о существовании двух независимых

источников l/F-шума: флуктуаций концентрации ловушек и флуктуаций насыщенной скорости дрейфа носителей заряда из-за рассеяния на нейтральных метастабильных центрах. Показано, что эта теория удовлетворительно объясняет результаты экспериментов.

♦ Показано, что теоретические модели, в которых предполагается единственный источник l/F-шума, не в состоянии объяснить результаты экспериментов.

♦ Разработана и апробирована методики определения интенсивностей источников l/F-шума по экспериментальным данным, полученным при измерении флуктуаций напряжения на диоде в статическом режиме и модуляционных шумов генератора на ЛПД.

♦ Разработана теория l/F-шумов в генераторах на проколотых ЛПД. Показано, что в отличие от генераторов на непроколотых ЛПД, уровень частотного шума в генераторах на проколотых ЛПД существенно зависит от добротности нагруженного контура.

♦ Экспериментально доказано участие ловушек в формировании l/F-шума в ЛПД.

Научная и практическая ценность:

* Получены соотношения, позволяющие корректно оценивать уровень модуляционных шумов в генераторах на непроколотых и проколотых ЛПД и их зависимость от добротности нагруженного контура и других параметров генераторов.

* Выявлены основные механизмы формирования l/F-шумов в генераторах на ЛПД.

* Предложена методика определения интенсивностей источников l/F-шума по результатам измерений спектральных плотностей флуктуаций напряжения на ЛПД и флуктуаций амплитуды колебаний.

* Показано, что при больших амплитудах колебаний флуктуации частоты колебаний генератора на проколотых ЛПД ниже, чем в случае непроколотых диодов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- научно-технических конференциях СПб ГУТ в 1995 - 1996 гг.;

- 1-й международной конференции UPoN'96;

- 14-й международной конференции "Noise in Phys. Sys. and 1/f Fluctuations" в 1997 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале и 4 публикации в трудах зарубежных и отечественных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 62 наименования. Основная часть работы изложена на 131 странице машинописного текста. Работа содержит 38 рисунка и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы посвящена обзору основных моделей 1/Р-шума в полупроводниках как в слабых, так и в сильных полях.

В 1956 г. Мак-Уортер предположил, что 1/Р-шум в полупроводниках с поверхностной проводимостью вызывается флуктуациями концентрации свободных носителей заряда, возникающими при перезаряде ловушек, расположенных в окисленном поверхностном слое образца. Захват электронов этими ловушками осуществляется путем туннелирования. По существу это означает, что природа 1/Р-шума связана с генерационно-рекомбинационными процессами, а его спектр объясняется наложением лоренцианов с разными постоянными времени. Мак-Уортер показал, что при туннельных переходах электронов на ловушки, расположенные на различных расстояниях от раздела окисел-полупроводник, получается необходимое для объяснения спектра 1/Р-шума распределение времен жизни. Теоретическая модель, предложенная Мак-Уортером, хорошо подтверждается экспериментами, показывающими, что уровень 1/Р-шума зависит от плотности поверхностных состояний в оксидном слое. Эта модель была успешно применена для объяснения 1/Р-шума в МОП-транзисторах и по сей день сохраняет свое значение. Однако следует подчеркнуть, что, строго говоря, она справедлива только в тех случаях, когда проводимость образцов или приборов имеет поверхностный характер.

Следующей по значимости моделью является модель 1/Р-шума, предложенная Хоухе и Клейнпеннингом для объяснения известной эмпирической г формулы Хоухе. В отличие от модели Мак-Уортера, авторы считают, что 1/Р-шум имеет объемную природу и возникает в результате флуктуаций подвижности свободных носителей заряда. Причину флуктуаций подвижности они видят в рассеянии носителей на акустических фононах. Последнее требует принять, что существует 1/Р-шум концентрации фононов. Это положение является спорным, и его так и не удалось обосновать теоретически. Несмотря на это, модель Хоухе-Клейнпеннинга использовалась для объяснения 1/Р-шума

во многих полупроводниковых объектах. Попытка многих исследователей поставить решающий эксперимент и выяснить, что же является причиной 1/Р-шума - флуктуации концентрации или флуктуации подвижности, не привели к определенному результату.

В 1982 г. Коганом и Нагаевым была высказана идея о том, что в аморфных металлических пленках 1/Р-шум возникает в результате рассеяния электронов на нейтральных метастабильных центрах (двухуровневых системах). Это позволило объяснить ряд экспериментальных фактов. Важно отметить, что представление о таких центрах используется для объяснения не только 1/Р-шума, но и ряда фундаментальных физических свойств аморфных проводников. Эта модель распространяется и на полупроводники, содержащие неупорядоченные области. Отметим, что она нашла прямое экспериментальное подтверждение: в объектах очень малых размеров удалось наблюдать действие отдельных нейтральных метастабильных центров (флуктуаторов) и переход от случайного телеграфного сигнала к 1/Р-шуму при увеличении их числа.

В 80-х гг. Левинштейном, Румянцевым и Дьяконовой были проведены эксперименты и на их основании развита модель объемного 1/Р-шума в полупроводниках, в которой 1/Р-шум объясняется флуктуациями концентрации электронов из-за хаотического перезаряда ловушек, энергетические уровни которых расположены в «хвосте» плотности состояний в запрещенной зоне. Эксперименты, осуществленные ими на арсенид-галлиевых и кремниевых образцах подтвердили участие ловушек в формировании 1/Р-шума полупроводников с объемным типом проводимости. Следует особо отмегить прямое доказательство этого, полученное в опытах с освещением полупроводников. Это позволило расширить понятие флуктуаторов, введя в него и ловушки.

Все упомянутые выше модели разрабатывались и проверялись в условиях слабых полей. Работ, посвященных механизмам 1/Р-шума в сильных полях, немного. В части из них (работы Клейнпеннинга, Босмана и Ван де Роера) предлагаются модели, основанные на представлениях Хоухе и Клейнпеннинга, а, следовательно, они встречают те же трудности, которые были отмечены выше, В работах Корнилова, Овчинникова и Павлова считалось, что 1/Р-шум в лавинно-пролетных диодах (ЛПД) возникает в результате флуктуаций насыщенной дрейфовой скорости, происхождение которых в начале не конкретизировалось, а затем связывалось с рассеянием на нейтральных флуктуато-рах. Наконец, Левинштейном и Дьяконовой были проведены расчеты 1/Р-шума в токе питания ЛПД, основанные на их «концентрационной» моде-

ли. Эти расчеты привели к удовлетворительному соответствию с экспериментом.

Воздействие 1/Р-шума на колебания генераторов на ЛПД теоретически исследовалось в нескольких работах. Первой их них была работа Тагера, в которой источник 1/Р-шума был введен формально в виде флуктуаций тока питания ЛПД. Впоследствии выяснилось, что эта модель приводит к серьезному расхождению с экспериментом. В работах Якимова и Зайцева была развита теория 1/Р-шума в генераторах на ЛПД, в которой источником такого шума считалось рассеяние электронов на мигрирующих атомах примесей. Ре-^ зультаты этой работы не во всем соответствуют эксперименту. В работах Корнилова, Овчинникова и Павлова теория 1/Р-шума в генераторе на ЛПД строилась в начале на основе упомянутой выше модели флуктуаций насыщенной дрейфовой скорости. Удовлетворительно объяснив уровень амплитудных и частотных шумов, авторы не смогли получить качественного соответствия зависимостей уровней частотного шума от добротности резонатора. Впоследствии теми же авторами с участием автора настоящей диссертации была развита теория флуктуаций в ЛПД, в которой предположено существование двух независимых источников 1/Р-шума: хаотического перезаряда ловушек и флуктуаций насыщенной скорости дрейфа носителей заряда, возникающих при рассеянии на нейтральных метастабильных центрах. Этот подход, как будет показано ниже, позволил устранить упомянутые выше несоответствия между теорией и экспериментом.

В конце первой главы сформулированы основные задачи диссертационной работы:

1. Теоретическое исследование 1/Р-шума ЛПД в статическом режиме работы на основе модели двух независимых источников 1/Р-шума: флуктуаций насыщенной скорости дрейфа носителей и флуктуаций концентрации заряженных центров (ловушек).

2. Теоретическое исследование модуляционных (амплитудных и частотных) шумов в генераторах на ЛПД с использованием упомянутой в п. 1 модели источников 1/Р-шума, а также с учетом конечности величины бал-

г ластного сопротивления и эффекта автосмещения.

3. Сравнительный анализ модуляционных 1/Р-шумов в генераторах на проколотых и непроколотых ЛПД.

4. Разработка методики определения интенсивности (спектральной плотности) источников 1/Р-шума по экспериментальным данным.

5. Сопоставление результатов анализа модуляционных 1/Р-шумов в генераторах на ЛПД с экспериментом для решения вопроса об адекватности принятой модели источников 1/Р-шума.

6. Экспериментальное исследование влияния освещения лавинно-пролетных диодов на их 1/Р-шум с целью выяснения роли ловушек в его формировании.

Во второй главе проводится анализ 1/Р-шума в токе ЛПД, работающего в статическом режиме. Теория развита для случая однопролегных ЛПД с однородно легированной базой без прокола рабочей области и переходом типа р+-п или Ме-п (барьер Шоттки). При этом предполагается, что коэффициенты ударной ионизации для электронов а„ и дырок ар равны: ап -ар - а,. То же самое распространяется и на насыщенные скорости дрейфа носителей заряда: узп = \<5р = . Эти допущения ограничивают применение анализа такими материалами как ОаАэ и 1пР, чаще всего используемыми в ЛПД сантиметрового и миллиметрового диапазонов. При анализе процессов в ЛПД используются обычные допущения, сущность которых состоит в следующем:

- пробой считается однородным по площади перехода. Современные ЛПД, как правило, характеризуются высокой однородностью пробоя. Это допущение позволяет рассматривать их в одномерном приближении;

- используется модель эквивалентного слоя умножения;

- считается, что в обедненном слое диода можно пренебречь диффузией и рекомбинацией носителей заряда.

Поскольку 1/Р-шум является сугубо низкочастотным (медленным) процессом, его анализ можно проводить квазистатическим методом, на основе уравнений стационарного режима. Возможность такого подхода очевидна, так как пролетные процессы и перезаряд малых емкостей ЛПД являются значительно более быстрыми, чем 1/Р-шум, процессами. В соответствии со сказанным были сформулированы уравнения, описывающие процессы в ЛПД в стационарном режиме. Эти уравнения были использованы для нахождения флуктуации напряжения на диоде на основе модели флуктуаторов, в которой фигурируют два независимых источника 1/Р-шума:

Нейтральные метастабильные центры - группы атомов и вакансий, хаотически меняющие свое энергетическое состояние, конфигурацию и, как следствие, сечение рассеяния. Последнее приводит к флуктуациям скорости дрейфа носителей заряда.

Ловушки, заполнение которых меняется случайным образом, в результате чего меняется концентрация свободных носителей заряда как прямым пу-

тем, так и косвенным, вследствие флуктуаций поля пространственного заряда ловушек (последний механизм в приборах с барьерами, как правило, значительно сильнее). Кроме того, изменение зарядового состояния ловушек вызывает изменение их сечения рассеяния, что опять-таки приводит к флуктуациям скорости дрейфа свободных носителей заряда.

Таким образом, возмущения вносятся в систему уравнений флуктуация-ми концентрации заряженных ловушек Ш, , возникающими из-за генераци-онно-рекомбинационных процессов, а также флуктуациями насыщенной скорости дрейфа = + <5у„, где ¿V, - коррелированные с ЗЫ, флуктуации скорости, обусловленные флуктуациями рассеяния на ловушках, а <5у„ - некоррелированные с SN, флуктуации скорости, возникающие при рассеянии на нейтральных метастабильных центрах. Оценка влияния ¿¡V, показала, что этот источник 1/Р-шума значительно слабее прямого действия <5А', и им можно пренебречь. С учетом этого решение системы уравнений привело к следующему выражению для флуктуаций напряжения на ЛПД в статическом режиме:

где I - постоянный ток питания диода, гл - дифференциальное сопротивление диода, Яь - балластное сопротивление, Яе- суммарное сопротивление, I - полная длина обедненного слоя, 1Л - длина слоя дрейфа, - концентрация доноров, п - концентрация электронов в области дрейфа, 1а - длина слоя умножения, у, - насыщенная скорость дрейфа.

Третья глава посвящена анализу 1/Р-шума в автогенераторе на ЛПД. Медленность 1/Р-шума по сравнению с переходными процессами в колебательном контуре и диоде позволяет при анализе флуктуаций исходить из уравнений стационарных колебаний. В этом приближении получены уравнения, связывающие нормированные флуктуации напряжения на диоде 317, нормированные относительные флуктуации амплитуды колебаний а и нормированные флуктуации частоты колебаний 8а с первичными источниками 1/Р-шума: нормированными флуктуациями концентрации ловушек 5Ы, и нормированными флуктуациями скорости дрейфа &>„. Флуктуациями скорости дрейфа, связанными с рассеянием на ловушках, также, как и при расчете флуктуаций напряжения на диоде в статическом режиме работы, можно пренебречь. Выражения для нормированных энергетических спектров (Т,), (Г) и 8ц.(Р) выглядят следующим образом:

(р),

5Г(Р)=В2Ы5Щ(Р)+^3К(Р),

где А Вм, Ву, Сн и Су - весовые функции, зависящие от длины слоя умножения, длины слоя дрейфа, концентрации доноров, концентрации электронов в области дрейфа, угла пролета в области дрейфа, амплитуды напряжения на слое умножения, частоты колебаний, лавинной частоты, добротности колебательного контура, постоянного тока питания диода, дифференциального сопротивления диода, балластного сопротивления, суммарного сопротивления, насыщенной скорости дрейфа; 5Лг. (Р) и 5,,. (Р) - нормированные спектральные плотности первичных возмущений. Заметим, что эти выражения получены с учетом эффекта автосмещения.

Для обсуждения необходимо знать интенсивности (спектральные плотности) первичных источников 1/Р-шума. Расчет этих величин практически невозможен из-за того, что в настоящее время нет достоверных количественных данных о типе, локализации и концентрации метастабильных центров, ответственных за 1/Р-шум. Это относится не только к исследованным структурам, но и к большинству полупроводниковых материалов. Поэтому единственным способом определения Эщ (Р) и ^(Р) является эксперимент. В главе 5 описана разработанная для этого методика и приведены результаты измерения (Р ) и .9,,. (Р) и ваЛв ЛПД, для которых развивалась теоретическая модель.

Исследование полученных выражений для спектров флуктуации, проведенное с использованием экспериментально найденных интенсивностей источников 1/Р-шума привело к следующим результатам:

- с увеличением балластного сопротивления его влияние на уровень амплитудного и частотного шумов ослабевает и при Яь » гё + Ят (Яг - тепловая составляющая дифференциального сопротивления ЛПД) практически исчезает. Такое поведение модуляционных шумов обусловлено ослаблением действия флуктуации тока диода и эффекта автосмещения при больших значениях балластного сопротивления. В оговоренных условиях (Яь » тл + Яг) уровень амплитудного шума монотонно понижается с увеличением параметра связи резонатора с нагрузкой (т.е. с увеличением добротности нагруженного резонатора и амплитуды колебаний), а уровень частотного шума зависит от параметра связи слабо. При малых значениях балластного сопротивления, сравнимых с га + 1{т, влияние флуктуаций тока диода и эффекта автосмещения усиливается и в ходе зависимостей уровней модуляционных шу-

мов и уровня флуктуаций напряжения на диоде от параметра связи появляются нерегулярности, тем более значительные, чем меньше балластное сопротивление. Эти явления обусловлены низкочастотной обратной связью, возникающей из-за эффекта автосмещения. Поскольку генераторы на ЛПД, как правило, работают при больших балластных сопротивлениях, дальнейший анализ проведен в предположении Яь» га + Ят. Экспериментальные данные, использованные в главе 5 для сопоставления с теорией, получены при соблюдении такого условия;

- основным механизмом частотного 1/Р-шума в генераторах на непро-. колотых ЛПД при большой величине балластного сопротивления и большой амплитуде колебаний является модуляция емкости диода вследствие флуктуаций длины обедненного слоя, вызываемых флуктуациями суммарного заряда ловушек. При малых амплитудах колебания влияние на уровень частотного шума флуктуаций скорости дрейфа из-за рассеяния на нейтральных метаста-бильных центрах может оказаться сравнимым с воздействием флуктуаций концентрации ловушек.

- основным механизмом амплитудного 1/Р-шума в генераторах на не-проколотых ЛПД при большой величине балластного сопротивления является модуляция времени пролета носителей заряда в слое дрейфа, вызываемая флуктуациями скорости дрейфа из-за рассеяния на нейтральных метастабиль-ных центрах.

- основным механизмом 1/Р-шума напряжения как на непроколотых, так и на проколотых ЛПД при большой величине балластного сопротивления являются флуктуации суммарного заряда ловушек.

- уменьшение угла пролета носителей заряда в области дрейфа усиливает зависимость уровней амплитудных и частотных шумов от амплитуды колебаний. Изменение эффективной площади поперечного сечения перехода слабо влияет на уровень шумов.

Четвертая глава посвящена исследованию флуктуаций в проколотых ЛПД. В этом случае длина обедненного слоя фиксирована, и, следовательно, отсутствует модуляция емкости диода, являющаяся основной причиной флуктуаций частоты в генераторах на непроколотых ЛПД. Это означает, что флуктуационные характеристики генераторов на проколотых и непроколотых диодах имеют различия. Анализ показал, что выражение для флуктуаций напряжения на проколотом диоде не отличается от выражения, полученного для непроколотого диода. Однако уравнения для флуктуаций амплитуды и частоты колебаний изменятся и выражения для нормированных энерге-

тических спектров флуктуаций амплитуды и частоты колебаний приобретут вид:

где А$0 и - весовые функции. В случае непроколотого ЛПД флуктуации амплитуды и частоты колебаний, так же как и флуктуации напряжения на диоде, зависят от обоих источников 1/Р-шума (т.е. от и 5^,.). В случае же

проколотого ЛПД влияние флуктуаций суммарного заряда ловушек на флуктуации амплитуды и частоты колебаний исчезает, сохраняясь только лишь на флуктуациях напряжения на диоде.

Сравнение поведения уровней частотного шума в генераторах на проколотых и непроколотых диодах показало, что в отличие от генераторов на непроколотых ЛПД, в которых уровень частотного шума практически не зависит от добротности нагруженного колебательного контура, в генераторах на проколотых диодах частотный шум заметно снижается с ростом добротности нагруженного резонатора. Что касается амплитудного шума, то в генераторах на проколотых ЛПД его уровень падает с ростом амплитуды колебаний быстрее, чем в случае непроколотых диодов.

Пятая глава посвящена методике определения интенсивносгей источников 1/Р-шума и сравнению теоретических результатов с экспериментальными. Для нахождения интенсивносгей принятых в анализе источников 1/Р-шума использованы уравнения для энергетических спектров флуктуаций напряжения на диоде и флуктуаций амплитуды колебаний с привлечением результатов измерений этих спектров. Данные уравнения представляют собой систему, решение которой относительно нормированных спектральных плотностей ^д-, и 5,,. приводит к следующему результату:

' Д? Сдг — Ау С^

5 , _ Фа' ~ ДУ - А^С^

С помощью этой методики были найдены усредненные значения »Уд,-- и для двух групп однотипных ЛПД на частоте Р = 30 Гц:

1) 5Л7 = 1.6• 10~15 Гц-1, 5„, = 12-Ю"13 Гц-1;

2) 5у. = 1.1-10~15 Гц-1, 5„, = 8.6 • 10~14 Гц1.

Заметим, что полученные выражения работоспособны только в том случае, если уменьшаемые величины в числителях этих выражений и в их общем знаменателе достаточно превышают вычитаемые. Иначе из-за погрешности измерения и , а также погрешности определения параметров эквивалентной схемы генератора ЛПД, полученные значения и нельзя считать убедительными. Оценки показали, что для обеих партий диодов А^Бц » С^'д, С^Ба » А^Б'и, А^С^ » А2КС2У. Следовательно, найденные указанным способом интенсивности первичных возмущений Б^* и могут.

считаться достоверными.

Остановимся теперь на важной проблеме проверки принятой модели источников 1/Р-шума в целом. Ее можно осуществить с помощью уравнения для флуктуаций частоты, не использованного при определении интенсивности источников шума и . Выбор этого уравнения для проверки модели не случаен. Дело в том, что его первый член, отражающий действие флуктуаций заряда ловушек и пропорциональный коэффициенту В{г, слабо зависит от добротности нагруженного резонатора О. Напротив, коэффициент , отражающий действие флуктуаций скорости дрейфа, зависит от {? сильно. Понятно, что изменение уровня частотного шума при изменении параметра связи р (т.е. О) может быть слабым или сильным в зависимости от соотношения величин и . Это дает возможность сравнения теории и эксперимента не только по уровню 5)-, но и по характеру его зависимости от Д Сопоставление рассчитанной и экспериментальной зависимостей 80) показало их удовлетворительное и качественное соответствие, что подтверждает работоспособность разработанной методики определения источников 1/Р-шума в целом.

Чтобы правильно оценить значение разработанной модели, основанной на двух источниках 1/Р-шума, рассмотрим более простые модели, в которых заложен единственный источник 1/Р-шума: либо флуктуации суммарного заряда ловушек, либо флуктуации скорости дрейфа. Выражения для спектров флуктуаций, описывающие эти случаи, можно получить из выражений для нормированных энергетических спектров (Р), ) и (Р), положив

в них =0 для модели флуктуаций заряда и = 0 для модели флуктуаций

скорости.

В обоих случаях для определения интенсивности единственного источника шума достаточно использовать уравнение для флуктуаций напряжения на диоде. Для модели флуктуаций заряда

для модели флуктуаций скорости

Рассчитав и ^ по измеренной величине и подставив полученные значения в уравнение для флуктуаций амплитуды и частоты колебаний, можем сравнить полученные результаты с экспериментом. Следует заметить, что в отличие от модели двух источников 1/Р-шума, в рассматриваемых случаях оба упомянутых уравнения остаются свободными и могут быть использованы для апробации корректности моделей с одним источником. Сравнение было проведено дня диодов партии 1. Оказалось, что модель флуктуаций заряда удовлетворительно описывает поведение частотного шума, но приводит к серьезному количественному расхождению теории и эксперимента по уровню Модель флуктуаций скорости, наоборот, удовлетворительно согласуется по уровню амплитудного шума, однако, приводит к серьезному качественному расхождению в характере теоретической и экспериментальной зависимостей 5у(Д).

Шестая глава посвящена экспериментальному исследованию влияния освещения на уровень флуктуаций напряжен™ на ЛПД. Методика эксперимента в основном повторяла методику, использованную в работе Вайнштей-на, Левинштейна и Румянцева, посвященной исследованию влияния освещения на 1/Р-шум в слабых полях.

В качестве источника света использовалась лампа накаливания, излучение которой широкополосно. Для определения оптического спектрального участка света, влияющего на спектр 1/Р-шума ЛПД, была проведена серия измерений с освещением диода через оптические фильтры с разными спектральными характеристиками. В качестве объекта измерения использовались легированные донорами СаАэ ЛПД с барьером Шотпси, в корпусе которых имелось кварцевое окно для освещения полупроводниковой структуры. Диоды были аналогичны тем, по которым уже имелись экспериментальные данные по шумам.

Опыты показали, что освещение ЛПД приводит к изменению спектра 1/Р-шума напряжения на диоде, делая его более пологим. Сильнее всего этот

эффект сказывается на низких частотах спектра. Наибольшее влияние оказывает свет, энергия фотонов которого близка к ширине запрещенной зоны полупроводника. Качественно этот результат совпадает с результатом, полученным в слабых полях. Это означает, что участие ловушек в формировании 1/Р-шума в ЛПД несомненно. Однако освещение ЛПД не приводит к полному подавлению 1/Р-шума. Это может означать, что помимо хаотического перезаряда ловушек существует другой источник 1/Р-шума, не чувствительный к освещению. Таким источником могут быть флуктуации скорости дрейфа электронов из-за рассеяния на нейтральных метасгабильных центрах.

В Заключении приведены основные результаты диссертационной работы:

1. На основе модели, предполагающей два источника 1/Р-шума в ЛПД (флуктуации концентрации заряженных ловушек и флуктуации насыщенной скорости дрейфа, возникающие из-за рассеяния носителей на ловушках и нейтральных метасгабильных центрах) построена теория 1/Р-шума ЛПД в статическом режиме работы. Показано, что влиянием рассеяния на ловушках можно пренебречь, так как воздействие этого механизма на шумы ЛПД значительно слабее, чем прямое воздействие флуктуаций полного заряда ловушек. Показано также, что флуктуации" длины обедненного слоя диода не влияют на окончательный результат расчетов - энергетический спектр флуктуаций напряжения на диоде. Это означает, что разработанная теория справедлива как для непроколотых, так и для проколотых ЛПД.

2. На базе той же модели источников 1/Р-шума разработана теория модуляционных (амплитудного и частотного) шумов в генераторах на непроколотых ЛПД с однородным легированием базы. При этом учтен эффект автосмещения; теория справедлива при любых значениях балластного сопротивления. Показано, что так же, как и при анализе 1/Р-шума в статическом режиме, влиянием флуктуаций скорости, связанных с рассеянием на ловушках, можно пренебречь. В результате проведенных расчетов и оценок выяснено, что основным механизмом флуктуаций частоты генерируемых колебаний при большом балластном сопротивлении является модуляция емкости диода вследствие флуктуаций длины обедненного слоя, вызываемых флуктуациями суммарного заряда ловушек; напротив, флуктуации амплитуды обусловлены, главным образом, модуляцией времени пролета носителей заряда в слое дрейфа из-за флуктуаций скорости дрейфа, вызываемых рассеянием на нейтральных метастабильных центрах. Показано, что при больших значениях балластного сопротивления влияние эффекта автосмещения и флуктуаций то-

<а питания существенно ослабевает и этими факторами можно пренебречь. В гаких условиях уровень амплитудного шума монотонно понижается с увеличением параметра связи резонатора с нагрузкой, а уровень частотного шума от него практически не зависит. При малых значениях балластного сопротивления проявляется низкочастотная обратная связь, обусловленная автосмещением; это приводит к нерегулярностям в зависимостях уровней амплитудного и частотного шумов, а также шумового напряжения на диоде, от параметра связи. Расчеты показывают, что уменьшение угла пролета в области дрейфа ведет к усилению зависимости уровней амплитудного и частотного шумов от параметра связи; величина эффективного сечения перехода слабо влияет на уровни амплитудного и частотного шумов.

3. В результате теоретического анализа 1/Р-шума в генераторе на проколотых ЛПД найдено, что в отличие от генераторов на непроколотых ЛПД уровень частотного 1/Р-шума существенно зависит от параметра связи генератора с нагрузкой, снижаясь с его увеличением (т.е. с увеличением добротности нагруженного резонатора). Показано, что это связано с «выключением» модуляции емкости диода вследствие фиксации длины обедненного слоя. Выяснено, что в проколотых ЛПД флуктуации частоты и амплитуды колебаний обусловлены только одним источником 1/Р-шума - флук-туациями скорости дрейфа из-за рассеяния носителей заряда на нейтральных метастабильных центрах. Перезаряд ловушек вызывает в этом случае только флуктуации напряжения на диоде. Сравнение генераторов на проколотых и непроколотых диодах, отличающихся только длиной обедненного слоя, привело к выводу о том, что уровень флуктуаций частоты в генераторе на проколотом диоде при большом значении параметра связи резонатора с нагрузкой на 5 - 6 дБ ниже. Амплитудные шумы генератора на проколотом ЛПД также ниже.

4. Обоснована методика определения интенсивностей источников 1/Р-шума в непроколотых ЛПД по результатам измерения флуктуаций напряжения на диоде и флуктуаций амплитуды колебаний.

5. Проведено сопоставление теории с экспериментальными данными. Показано, что развитая в работе модель, включающая два некоррелированных источника 1/Р-шума, обеспечивает удовлетворительное соответствие. Модели, учитывающие только один источник 1/Р-шума (флуктуации суммарного заряда ловушек или флуктуации скорости дрейфа) серьезно расходятся с экспериментом в качественном или количественном отношении.

6. Проведено экспериментальное исследование влияние освещение ЛПД на его 1/Р-шум. Установлено, что свет с фотонами, энергия которых близка к

ширине запрещенной зоны полупроводника, вызывает деформацию спектра l/F-шума, снижая его на низких частотах. Качественно этот результат совпадает с результатом, полученным другими авторами в слабых полях, отличаясь от него тем, что эффект наблюдался при высокой температуре, при которой в слабых полях он не проявлялся. Влияние света на спектр l/F-шума является прямым доказательством участия ловушек в его формировании. Однако небольшая величина подавления низкочастотной части спектра l/F-шума указывает на участие в этом процессе источника шума другой физической природы, нечувствительного к освещению. Представляется, что таким источником являются флуктуации скорости дрейфа носителей заряда, возникающие при их рассеянии на нейтральных метастабильных центрах. Веским доводом в пользу этого является невозможность объяснения результатов исследования модуляционных l/F-шумов в генераторах на ЛПД в предположении того, что они вызваны только перезарядом ловушек (п. 5 Заключения).

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Кислицын Э.Б. Малошумящие усилители для исследования низкочастотных флуктуаций//Тезисы 48 НТК ГУТ.-1995.

2. Кислицын Э.Б. Сравнение моделей источников l/F-шума в лавинно-пролетных диодах//Тезисы 50 НТК СиМС ГУТ.-1996.

3. Kislitsyn Е.В., Kornilov S.A. On the nature of 1/f noise in semiconductors at high electric fields//In 1st Int. Conf. on Unsolved Problems of Noise (extended abstracts), Szeged, Hungary.-1996.-P.R43.

4. Корнилов C.A., Овчинников К.Д., Кислицын Э.Б. "Источники l/F-шума в лавинно-пролетных диодах из арсенида галлия"//ЖТФ.-1997.-Т.67,-В.8.-С.65-70.

5. Kornilov S.A., Ovchinnikov K.D., Kislitsyn Е.В., Yald-Perlov V.M. 1/F fluctuations in IMPATT oscillators on puched-through diodes//Proc. of the 14th Int. Conf. "Noise in Phys. Sys. and 1/f Fluctuations", Leuven, Belgium.-1997.-World Scientific.-P.667-670.

Подписано к печати 2£.Ж98.ЛР № 0204275 от 29.04.97. Объем 1 печ. л. Тир. 80 экз. Зак. Mb_

Тип. СПб ГУТ, 191186, С-Пегербург, наб.р. Мойки, 61.