Нелинейные явления переноса и возбуждение ЭДС в микронных и субмикронных структурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ6 о

2 1 5'А!; №

Министерство образования Украины Харьковский политехнический институт

На правах рукописи УДК 621.315.592

Юрченко Владинир Борисович

НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА И ВОЗБУЖДЕНИЕ ЭДС В МИКРОННЫХ И СУБМИКРОНННХ СТРУКТУРАХ

01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Харьков, 1994

Диссертация является рукопись»

Работа выполнена в Харьковском политехническом институте

Министерства образования Украины

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор,

главный научн. сотр. ИРЭ АН Украины Басс Фридрих Гершонович

Ведущая организация: Институт физики АН Украины, г.Киев

на заседании специализированного совета Д Ulb.04.Ul при Институте радиофизики и электроники АН Украины по адресу: 310085, г.Харьков, ул. Академика Проскуры, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ИРЭ АН Украины.

доктор физ.-мат. наук, зав. отделом ИФП АН Украины Климовская. Алла Ивановна

доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры физики Тернопольского приборостроительного института

Булат Лев Петрович

Защита состоится

часов

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета доктор физ.-мат. наук

Лукин К.А.

- 3 -

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теин. Современнее тенденции твердотельной электроники, связанные с ниниатвризацией полупроводниковнх приборов и с постоянным их совериенствованием, а также потребности сравнительно новых областей применения полупроводниковой техники, таких как гелиоэнергетика, требуют поиска и исследования новых физических эффектов, которые возникает в твердотельных структурах малых размеров и могут послужить основой для дальнейшего развития электронного приборостроения. Широкие и еще недостаточно изученные возможности связаны здесь с применением полупроводниковых структур никронных и, особенно,'суб-микронннх размеров, в которых могут иметь место нестандартные электронные кинетические явления, интересные как в научном, так и в прикладном отношении. В отличие от квантовых эффектов, типичных для структур нанометрового диапазона, подобные явления, классические по своей природе, значительно проще реализовать и поэтому можно более широко использовать на практике.

Общая . характерная черта процессов переноса в структурах столь малых размеров - возникновение существенной энергетической неравновесности носителей тока, сопровождаемой, как правило, и неравновесностьв концентрационной. Эти два вида неравновесности оказываются тесно взаимосвязанными, причем равновесие носителей обычно нарушается пространственно неоднородно, а возникавшие физические эффекты сильно зависят от природы кинетических процессов, происходящих на границах структуры: на электрических контактах, на внутренних границах раздела или же на свободных внешних поверхностях. Все это вместе взятое значительно усложняет неравновесные электронные явления в никронных и субмикронннх структурах, но в то же время именно это делает такие явления особенно интересными и перспективными для приложений.

В связи с наиболее важныни^практическими приложениями, инициировавшими выполнение данной работы, в диссертации можно выделить три главных направления исследований:

1. Изучение фотоэлектрических процессов в полупроводниковнх микроструктурах в связи с практическими задачами поиска новых путей совервенствования фотоэлектрических преобразователей энергии разного назначения, включая солнечные элементы для производства электрической энергии, а также приемники электро-

магнитных излучений для разных диапазонов длин волн, от инфракрасной области до миллиметровых и субмиллиметровых волн;

2. Изучение процессов термоэлектрического преобразования энергии в микронных и субмикронннх структурах, что также связано с практической потребность!) производства электрической энергии и создания других термоэлектрических приборов - датчиков температуры, миниатерннх холодильников и прочих устройств;

3. Изучение нелинейных эффектов электронного переноса в тонкослойных структурах, на основе которых могут быть разработаны новые типы активных элементов твердотельной электроники, использувцие такие эффекты, как появление в структурах отрицательной дифференциальной проводимости ( ОДП ), а также другие особенности процессов переноса, например, снижение уровня «у-нов активного эленента за счет охлаждения его электронной подсистемы и т.п.

Основной интерес представляет при этом поперечные явления переноса, т.е. такие явления, в которых электрические токи и тепловые потоки протекает поперек структуры, поскольку именно такие ситуации на практике является наиболее типичными и в то же время как раз они оказывается наиболее сложными и наиненее изученными..

С учетом сказанного, целье работы явилось теоретическое исследование нелинейных эффектов поперечного электронного переноса, возникаечих в микронных и субникронных полупроводниковых структурах в условиях неоднородной энергетической и концентрационной неравновесности носителей заряда, и изучение связанных с такими эффектами явлений нелинейной проводимости, электрической неустойчивости, генерации нетрадиционных видов фото- и термоэде, которые могут найти применение при разработке новых приборов микроэлектроники и полупроводниковой энергетики.

Научная новизна результатов работы состоит в том, что в диссертации впервые:

1. Исследовано появление ВАХ с участками ОДП при протекании тока поперек тонких полупроводниковых слоев в условиях, когда одновременно имеет место разогрев и инжекция носителей заряда из контактов. Показано, что разные типы ВАХ с ОДП возникает при других механизмах релаксации импульса и энергии электронов по сравнение с теми, которые приводят к появление аналогичных ВАХ в массивных образцах. Изучено развитие электрических неустойчивостей в подобных тонкослойных структурах.

2. Изучены эффекты сильного охлаждения электронного газа в тонкослойных структурах со встроенными полями, открывавшие новые возможности для получения ВАХ с падающими участками за счет нелинейных явлений переноса холодных носителей заряда.

3. Предложены нетрадиционные пути повышения эффективности фотоэлектрических преобразователей энергии, основанные на использовании в р-п -структурах разного типа (в частности, вари-зонных) сильно нелинейных эффектов, вызванных фоторазогревом неосновных носителей заряда. Найдены условия, обеспечивающие использование этих эффектов в обычных экспериментальных ситуациях, являющихся типичными, когда такие эффекты выражены слабо и еще не становятся доминирующими при формировании фототока.

4. Установлено существование нового механизма возбуждения" эдс за счет нарушения максвелловского вида симметричной части функции распределения носителей, обеспечивающего появление эдс даже в условиях пространственной однородности макроскопических параметров, описывающих неравновесную систему носителей заряда.

5. Обнаружено появление в пленочных фотопреобразователях на основе гетероструктуры р-С(ЗТе/п-С<ЗБ варизонных прослоек, имеющих необычный профиль запрещенной зоны и позволяющих повысить эффективность этих преобразователей, что было подтверждено позже работами японских исследователей.

6. Предложены новые пути совершенствования термоэлектрических преобразователей энергии за счет использования эффектов энергетической неравновесности носителей заряда, в частности, эффектов, связанных с.немаксвелловским распределением носителей по энергиям, возникающим при протекании тепловых потоков поперек слоев и структур субмикронных размеров.

7. Изучены особенности протекания тока поперек субникрон-ных слоев в баллистическом и в квазибаллистическом режиме при наличии магнитного поля, которые позволяют использовать такие слои в качестве высокочувствительных датчиков магнитного поля. В субникронных слоях с потенциальными барьерами на боковых границах обнаружена инверсия функции распределения носителей по энергиям, возникающая при продольном протекании электрического тока.

Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты составляют научную базу для разработки новых и совершенствования известных типов полупроводниковых приборов для фотоэлектрического и термоэлектрического преобразования знер-

- б -

гии, микроэлектронных приборов для генерации и детектирования высокочастотннх электромагнитных полей, бнстродействующих микроэлектронных переключателей и фотоприенников, и других приборов. Предсказанные в работе новые эффекты открывает нетрадиционные пути для улучшения параметров таких приборов. Б частности, открывается возможности для повышения эффективности полупроводниковых солнечных элементов за счет нелинейных эффектов фоторазогрева носителей, для повышения чувствительности и быстродействия фотоприемников за счет использования новых, малоинерционных механизмов генерации эде, связанных с нарушением максвелловского вида энергетического распределения носителей заряда, для генерации высокочастотннх колебаний за счет новых видов электрических неустойчивостей в неоднородных микроструктурах, для уменьшения тепловых шумов и разработки новых методов охлаждения микроэлектронных устройств, связанных с охлаждением одной лишь электронной подсистемы этих устройств и с нелокальностью такого охлаждения в приборах столь налых размеров, и другие подобные возможности, которые могут быть использованы в современной полупроводниковой электронике.

Достоверность результатов, полученных в работе, обеспечивается использованием адекватных теоретических моделей, применением апробированных методов исследования, выполнением предельных переходов к известным, более простым ситуациям, хорошим качественным и количественный совпадением выводов теории с имеющимися экспериментальными данными, а также ясной физической интерпретацией тех эффектов, для которых пока отсутствуют экспериментальные результаты.

Основные положения диссертации, выносиные на защиту:

1. Разработана теория нелинейного переноса энергетически неравновесных электронов и дырок в полупроводниковых слоях и структурах микронных и субмикронных размеров с разными типами электрических контактов и внутренних гомо- или гетеропереходов.

1.1. Показано, что в тонких слоях при разогреве электронов, возникающем в режиме токов, ограниченных пространственный зарядом, возможны разные типы БАХ с участками ОДП. Последние возникают при других механизмах релаксации импульса и энергии носителей по сравнению с теми, которые приводят к подобным ОДП в массивных образцах. В нестационарных процессах инжекция носителей стимулирует электрический пробой тонких слоев, даже

если те имеют высокую концентрацию ловушек. В структурах с Н-ОДП и пилообразным профилем легирования, за счет ослабления инжекционннх явлений при одном из направлений тока, возможна генерация электромагнитных колебаний на более высоких частотах по сравнению с теми, которые достигаются в однородных образцах.

1.2. В тонкослойных структурах с выпрямляющими контактами и большими встроенными полями достигается сильное охлаждение носителей, существенно уменьшавшее шумовую температуру образца и позволяющее получать ВАХ с ОДП в систене холодных электронов при других условиях по сравнению с известными ранее.

1.3. Б субникронных слоях при баллистическом протекании тока поперек слоя и при наличии параллельного слою магнитного поля возникает большое магнитосопротивление, возрастающее линейно по магнитному полю в слабых полях и экспоненциально по квадрату поля - в сильных. В условиях, когда выполняются приближения энергетической баллистики, в субникронных слоях с потенциальными барьерами на боковых границах обнаружена инверсия функции распределения носителей по энергиям, возникающая при продольном протекании электрического тока.

2. Построена нелинейная теория фото- и термоэдс в тонкослойных р.-п гомо- и гетероструктурах, в том числе в варизонных структурах и классических сверхреиетках, в условиях появления неоднородной энергетической неравновесности носителей заряда.

2.1. Выполнен общий анализ условий и механизмов возникновения эдс в проводящей среде с неравновесныни носителями заряда при произвольном нарувении термодинамического равновесия.

2.2. Предложены новые пути повышения эффективности полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей за счет использования нелинейных эффектов, вызванных сильным фоторазогревом неосновных носителей заряда в варизонных р - п -структурах. Определены параметры структур, при которых эти эффекты улучыают работу фотопреобразователей в обычных условиях их эксплуатации. Обнаружено появление в пленочных преобразователях р-С<1Те/п-С<18 варизонных прослоек с нетипичным профилем запрещенной зоны, увеличивающим к.п.д. этих преобразователей.

2.3. Предсказано увеличение терноэдс в классических р - п -сверхрежетках, связанное с появлением энергетической неравновесности электронов при протекании тепловых потоков вдоль оси этих сверхреиеток.

3. Предсказаны и исследованы новые механизмы формировав«

эдс в полупроводниковых структурах, связанные с нарувениен максвелловского вида симметричной части неравновесной функции распределения носителей заряда по импульсан.

3.1. Существует иеханизн генерации эдс, обусловленный нарушением максвелловского вида симметричной части функции распределения носителей, который обладает высоким быстродействием и позволяет генерировать фотоэдс даже в нонополярной среде с постоянной концентрацией и средней энергией носителей заряда.

3.2. Предсказано увеличение фотоэдс и быстродействия полупроводниковых фотоприемников на основе субмикронных слоев и структур, использующих эффект наруоения максвелловского вида функции распределения носителей при внутризонном возбуждении этих, носителей высокочастотный электромагнитным излучением.

3.3. Установлено, что протекание тепловых потоков поперек субмикронных слоев и структур нарушает наксвелловский вид симметричной части функции распределения носителей заряда, что приводит к увеличению терноэдс, возникающей в слоях и, особенно, в структурах, в которых существует больное встроенное поле.

Апробация работы. Материалы диссертации представлялись и обсуждались на:

12-й Международной конференции по термоэлектричеству (Йокогама, Япония, 1993 г.),

24-й Генеральной Ассамблее Международного Радиотехнического Союза (Киото, Япония, 1993 г.),

18-й Международной конференции по инфракраснын и миллиметровым волнам ( Колчестер, Великобритания, 1993 г.).

Международной конференции 'Оптическая технология и связь*, Анкара, Турция, 1992 г.

8-м Вильнюсском симпозиуме по ультрабыстрым явлениям в полупроводниках, Вильнюс, Литва, 1992

8-н и 9-м Международных совещаниях по фотоэлектрическим и оптическим явлениям в твердых телах, Варна, НРБ, 1986 и 1989 г.

12-й Всесоюзной конференции по физике полупроводников, Киев, 1990 г.

1-й Всесоюзной конференции "Физические основы твердотельной электроники", Ленинград, 1989 г.

5-м, 6-м и 7-м Симпозиумах "Плазма и неустойчивости в полупроводниках", Вильнюс, 1983, 1986 и 1989 г.

12-м и 13-м Всесоюзных совещаниях по теории полупроводни-

ков, Ташкент, 1985 г., Ереван, 1937 г.

1-й, 2-й и 3-й Всесоюзных школах-семинарах "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводнико-во-диэлектрическими структурами", Саратов, 1985, 1988 и 1991 г.

Всесоюзном совещании "Пленочные термоэлектрические преобразователи и устройства на их основе", Москва, 1988 г.

12-й Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике, Тбилиси, 1987 г.

Всесоюзной конференции "Физика и применение контакта металл-полупроводник", Киев, 1987 г.

8-й Всесоюзной конференции "Химия, физика и техническое применение халькогенидов", Ужгород, 1988 г.,

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Обьен и структура работы. Диссертация содержит 305 страниц, включая 33 рисунка и 3 таблицы, и состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы из 220 названий.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, описаны .направления исследований, развиваеные в работе, названы полученные автором новые результаты и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены уравнения, на которых строится теория классических кинетических явлений в тонкослойных полупроводниковых структурах, и рассмотрены граничные условия для этих уравнений в случаях, когда в таких структурах через границы раздела или внешние контакты протекают электрические токи и тепловые потоки энергетическй неравновесных электронов и дырок.

Основным уравнением в работе является кинетическое уравнение Больцмана. Для структур субмикронных толщин,'в которых при появлении электрических токов и тепловых потоков неравновесная функция распределения носителей значительно отличается от равновесной и явления переноса не описываются накроскопическини уравнениями, использовано приближение энергетической баллисти-

ки / 1, 2/ . Б условиях этого приближения, которое имеет место при внполнении неравенств

1; « d « , 1£ , (1) где 11- - длина релаксации импульса носителей заряда, 1 £ , \ее - длины релаксации энергии носителей при их рассеянии на фононах и в процессе межэлектронных столкновений, d - толщина структуры, общее уравнение Больцмана приводится к одному уравнение относительно симметричной части функции распределения носителей fy(£ ,х) , где £ - энергия носителей, х - координата поперек полупроводниковой структуры. Б данной работе указанное уравнение получено в явном виде для общего случая сильной неравновесности носителей, произвольного механизма рассеяния импульса и разных условий возбуждения электронной систены - как внешним электрическим полем, так и протекающим поперек структуры тепловым потоком.

В случае более толстых структур,, для которых справедливо приближение эффективной температуры электронов и дырок /3, 4/, сформулированы макроскопические уравнения непрерывности электрического тока и баланса энергии носителей заряда, которые обобщает уравнения, использовавшиеся ранее, и позволяет описывать нелинейные явления переноса в биполярных и пространственно неоднородных тонкослойных структурах ( в частности, в вари-зонных и различным образом неоднородно легированных ), в условиях как энергетической, так и концентрационной неравновесности носителей, возникавщей в результате различных внешних воздействий, в том числе - межзонного поглощения квантов света с энергией i со , существенно превышающей ширину запрещенной зоны. полупроводника ^ .

Вторая глава посвящена изучение нелинейных явлений, связанных с протеканиен тока поперек тонкослойных полупроводниковых структур с инжектирующими контактами. В первом параграфе рассмотрено протекание инжекционннх токов (токов, ограниченных пространственным зарядом) поперек тонкого слоя однородно легированного электронного полупроводника в условиях, когда приложенное электрическое поле Е(х) ( х - координата поперек слоя) вызывает разогрев инжектированных носителей. Возникающие при этом нелинейные явления исследованы в приближении эффективной электронной температуры Т„(х) , которая, как и концентрация носителей л(х) , при выполнении условий lt , г^ << d ( г - дебаевский радиус экранирования, d - толщина слоя )

предполагается локально зависящей от напряхенности поля Е(х).

Исследовано формирование нелинейных вольтамперных характеристик ( ВАХ ) при различных механизмах рассеяния импульса и энергии носителей и выяснены условия появления на ВАХ участков с ОДП.. Показано, что с увеличением напряжения в случае 1£<< << г* / (3 вначале возникает инжекция носителей, а затем наступает их разогрев, тогда как в случае 1£ >> гаг / (1 при меньших напряжениях происходит разогрев носителей, а затем развиваются явления инжекции. При заданных значениях 1Е , и (3 границы соответствующих нелинейных участков ВАХ определяются характерными величинами напряжения на структуре, не зависящими от выбора механизмов рассеяния носителей (в отличие от характерных значений тока).

Наложение эффектов инжекции и разогрева во всех случаях проявляется как увеличение на единицу показателя степени в зависимости тока от напряжения по сравнению с зависимостью, ха-' рактерной для чисто разогревной нелинейности БАХ /4/. В связи с этин, в случае развитых процессов инжекции и разогрева изменяются условия, необходимые для формирования ВАХ с участками. ОДП. Если времена релаксации импульса и энергии носителей описываются формулами ^ - т. (е / т ) ^ и = /т)1 , то условия, при которых реализуются разные виды ВАХ: а) монотонная, б) Э -образная, в) N -образная, г) петлеобразная, -определяются, соответственно, неравенствами: а) г > 0, г > ц , б) г>0,г^, в) г<0,г>ч, г) г < 0 , г < я .

Исследованы стационарные распределения температуры и концентрации носителей в слое в разных ситуациях. Показано, что при г < ч Т„(х> убывает, а при г > ч - возрастает с увеличением расстояния от инжектирующего контакта. Исследована проблема постановки граничного условия, заменяющего традиционное условие обращения в нуль электрического поля на виртуальном катоде, в тех случаях, когда г < ч . Адекватным граничным условием является тогда требование, чтобы у контакта, противоположного инжектирующему, разогрев носителей оставался достаточно слабым, что реализуется в случае омического контакта или тоже контакта со слоем обогащения. В завериение исследования выполнен анализ применимости использованного локального приближения во всех рассмотренных ситуациях.

Во втором параграфе на базе представлений о нестационарной инжекции электронов проведен теоретический анализ'эффекта

быстрого переключения пленок теллурида кадмия из высокоонного состояния в низкоомное, происходящего под действием коротких импульсов электрического напряжения, которое подводится к не-таллическим контактам на противоположных поверхностях пленки. На основе имеющихся экспериментальных данных разработана теоретическая нодель, позволившая не только качественно, но и количественно объяснить наблюдаемые явления, а также указать пути улучшения тех количественных показателей, которые определяют сферу практического применения эффекта.

Объяснение эффекта строится на предположении о запаздывании захвата инжектированных носителей на ловушки, имеющиеся в пленке, благодаря чему при импульсной подаче напряжения реализуется значительная неравновесная электропроводность пленки и происходит образование расплавленного канала под металлическим контактом. Последнее в конечном итоге и обеспечивает наблюдаемое электрическое переключение. Построенная модель позволила описать динамику процесса переключения на всех стадиях, включая и образование расплавленного канала, а также объяснить характерные значения напряжений переключения, что дало возможность улучшить эксплуатационные параметры переключателей.

Б третьем параграфе исследованы проявления инжекционных эффектов в процессах, связанных с возникновением электрической неустойчивости при разогреве яосителей заряда электрическим полем в периодически легированных структурах на основе полупроводников, обладающих N-образной вольтамперной характеристикой. В однородных образцах таких полупроводников разогрев электронов приводит к появлению бегущих электрических доненов сильного поля и к возникновению высокочастотных осцилляций электрического тока. При наличии плавной неоднородности полупроводника, связанной, например, с его неоднородным легированием, в результате влияния встроенного поля, обусловленного неоднородностью, параметры электрических доменов изменяются по мере прохождения доменов вдоль образца. Это приводит к появлению дополнительных, более высокочастотных колебаний тока в электрической цепи. Однако, при малом пространственном периоде легирования действие встроенного поля, связанного с неоднородностью, из-за инжекционных явлений в значительной степени ослабевает и амплитуда дополнительных осцилляций тока уменьшается.

Для достижения более сильного влияния неоднородности на высокочастотные осцилляции тока, в работе исследован случай

\

асимметричного пилообразного профиля легирования полупроводникового образца, обладающего И-ОДП. Путем численного моделиро-' вания на ЭВМ нелинейных явлений, связанных с распространением электрических доменов в такой периодической полупроводниковой структуре, показано, что при одном из направлений электрического тока, а именно, когда электроны ■ из области повышенного легирования движутся в направлении, в котором концентрация носителей убывает более плавно, наблюдается значительно большая амплитуда дополнительных высокочастотных осцилляций тока, соответствующих прохождению доменом каждого периода легирования в изучаемом образце. Описанный эффект сохраняется даже в случае, когда период легирования всего лишь в несколько раз превышает максимальное значение дебаевского радиуса экранирования в данной структуре.

В третьей главе рассмотрены нелинейные явления, связанные с протеканием тока энергетически неравновесных носителей через тонкослойные структуры с электрическими контактами другого типа - с выпрямляющими контактами в виде барьера Ноттки, а также через структуры со встроенными потенциальными барьерами в виде п+ - п - перехода. При таком направлении тока, когда внешнее электрическое поле Е направлено навстречу встроенному полю структуры Ед или электрическому полю в барьере Моттки, и при этом выполняется неравенство |Е| < |Ев1 , происходит охлаждение носителей, известное как эффект Пельтье. В тонкослойных структурах это охлаждение затрагивает лишь электронную подсистему ( фононн остаются равновесными ), так что при сильной и резкой неоднородности структуры охлаждение оказывается значительным и может стать причиной появления новых типов нелинейных ВАХ неоднородных полупроводниковых структур.

В первом параграфе указанные явления изучены на примере барьера Моттки к тонкому полупроводниковому слов ( толщиной 3 - I £ ) , в котором при появлении эффекта Пельтье еще не успевает наступить заметный даоулев разогрев электронов, поскольку из-за малой толщины полупроводника внешнее напряжение все еще в основном остается приложенным к обедненному слов контакта. В рамках диодной модели контакта в работе получены нелинейные граничные условия, описывающие перенос заряда и энергии электронов через барьер в случае сильного охлаждения носителей, и аналитически решена соответствующая граничная задача, к которой сводится проблема самосогласованного нише-

ления нелинейной БАХ данной структуры в случае квазиупругого рассеяния носителей тока. Показано, что при таких параметрах контакта, которые характерны для типичных экспериментальных ситуаций, в условиях квазиупругого рассеяния носителей, реализующихся во нногих полупроводниках при Т % 100 К , у контакта к полупроводниковому слою толщиной А - 1£ достигается принерно двукратное локальное уменьшение температуры электронов, которое инеет место в узком интервале положительных напряжений, соответствующих почти полностью открытому контакту (в области напряжений V — - 0.5 Т/е 1п('г'£ / ^ ) где - контактная разность потенциалов барьера Еоттки).

Во второй параграфе путей численного решения нелинейного уравнения баланса энергии электронов исследована возможность сильного охлаждения носителей тока в тонком полупроводниковом слое с п+ - п - переходом. Показано, что при таких значениях параметров структуры, которые могут быть реализованы экспериментально, в условиях квазиупругого рассеяния электронов также достигается существенное охлаждение носителей. При зтон происходит резкое уменьшение эффективной шумовой температура образца, поскольку последняя определяется температурой электронов в наименее легированной области структуры, где локально температура электронов тоже может уменьшаться более чем в два раза. Охлаждение носителей в тонкослойных п+ - п - структурах, как и на барьере Шоттки, также реализуется в довольно узкон интервале напряжений, очень чувствительно к профилю легирования образца и может заметно влиять на форну нелинейных БАХ коротких неоднородно легированных структур.

С целью выявления возможностей формирования новых типов нелинейных БАХ с падающими участками в случае, когда в образце возникает охлаждение носителей заряда, в третьем параграфе данной главы охлаждение электронов исследовано качестБбннвии аналитическими методами в предположении о достаточно плавном изменении температуры носителей вдоль неоднородной структуры. Качественный анализ функциональной зависимости средней температуры носителей в образце от характерной величина внешнего электрического поля обнаружил, что такие возможности могут реализоваться в том случае, если механизмы рассеяния импульса и энергии носителей таковы, что соответствующие показатели г и q (см. выше) удовлетворяют неравенству г > q+3 .

Четвертая глава открывает раздел, посвященный изучению

нелинейнах фотоэлектрических и термоэлектрических явлений в различных тонкослойных полупроводниковых структурах. В первом параграфе этой главы выполнен общий анализ условий, необходимых для возникновения эдс в произвольной проводящей среде в случае произвольного наруиения термодинамического равновесия в системе носителей заряда. В результате проведенного анализа показано, что, в отличие от общеизвестных представлений, согласно которым появление фотоэдс возможно лииь в биполярной неоднородной среде при обязательной генерации неосновных носителей заряда, при более общем подходе оказывается, что фотоэдс может быть получена и за счет генерации только основных носителей ( даже энергетически равновесных ) в строго монополярной среде, но имеющей разные по своим кинетическим свойствам носители заряда одного и того же знака (например, фотоэдс в дырочном полупроводнике с двумя сортами дырок с разной зависимостью их подвижности от координаты, в случае генерации неравновесных дырок с примесных уровней). Аналогично, вопреки утверждение, что для возбуждения термоэдс необходимы градиенты температуры, показано, что в неоднородном полупроводнике в условиях, когда температуры электронов и дырок ( Ти и 1р ) отличается от температуры фононов Т , термоэдс возникает, даже если температуры Тп и Тр постоянны вдоль всего полупроводникового контура.

Общей причиной найденных новых условий генерации различных видов эдс является возможность избежать взаимной компенсации разных потоков неравновесных носителей заряда в неоднородной среде с носителями разного сорта (независимо от их знака), что формально выражается в отсутствии полного дифференциала в интегральном выражении, определявщем величину эдс в тех достаточно общих ситуациях, которые были рассмотрены в работе.

На основе проведенного ваше анализа рассмотрен вопрос о наблюдении ( изнеренш ) возникающих эдс во внешней электрической цепи. При этом показано, что корректно определенные понятия эдс и электрического напряжения не могут быть введены внутри тех участков цепи, где имеются термодинамически неравновесные носители заряда, и применимы лишь для таких участков, на концах которых все носители заряда термодинамически равновесны. Соответственно, в неоднородной среде при нарушении термодинамического равновесия полное электрическое поле нельзя однозначно разложить на внутреннее (встроенное) электрической поле и поле, приложенное извне.

Описанный выше анализ продолжен во второй параграфе, где рассмотрен вопрос о генерации эдс в полупроводнике в условиях, когда неравновесная функция распределения носителей по энергиям является немаксвелловской (нефермиевской) и тем самым становится неприменимым приближение эффективной электронной тен-пературн. В результате проведенного исследования показана возможность генерации эдс в однородном нонополярном полупроводнике только ливь за счет неоднородного нарушения наксвелловского вида симметричной части функции распределения носителей ^ , т.е. в условиях, когда ни концентрация, ни средняя энергия носителей не изменяется при возбуждении и вдоль всего образца остаются постоянными. Появление эдс в подобных условиях оказывается возможным в том случае, если отклонение £ ,х ) от максвелловской функции {т ( * ) не может быть представлено в виде £ ,х) = - £( £ ) Н(х) и при этой время

релаксации импульса носителей <; зависит от энергии £

Механизм появления эдс в данном случае состоит в том, что потоки неравновесных носителей заряда, инеющих разные энергии и, следовательно, разные кинетические свойства, не компенсируют друг друга, что вполне аналогично традиционному механизму, когда потоки-создаются носителями разного сорта. Если распределение носителей максвелловское, то выполняется соотноиение Эйнштейна ии - еи / Т„ ( и„ и - подвижность и коэффициент диффузии носителей )', ток описывается выражением Jn= - еяп и^Ф - еп1)п7п " - «С, ( "С " электрохими-

ческий потенциал), компенсация парциальных потоков происходит всегда и эдс отсутствует (~£ = - £ о). Если же функция

(у(£,х) отличается от максвелловской, то соотнонение Эйнштейна наруиается, дрейфовые токи не могут одновременно уравновесить все парциальные потоки носителей, вызванные неоднородностью ^(£,х), и появление эдс становится возможным (интеграл, определяющий эдс , не содержит интегрирующего множителя, и эдс получается отличной от нуля). Описанный механизм возникновения эдс обладает малой инерционностью и может сопровождать другие механизмы генерации эдс, изменяя величину наблюдаемых эффектов

В третьем параграфе данной главы изучены некоторые фотоэлектрические эффекты, возникающие в тонкопленочных полупроводниковых структурах в отсутствие энергетической неравновесности фстовозбужденных носителей заряда. Один из них связан с образованием в пленочных гетероструктурах п-С(38/р-С(1Те тонкнх

варизонных прослоек СсЗТе,.^ с шириной запрещенной зоны е^ < < = 1.5 эВ и нетипичным профилем , таким, что

минимум находится вблизи р-п - перехода. В работе построена теория фотоэлектрических процессов, происходящих в данной структуре, позволившая предсказать наличие прослоек СсЗТе,.^,, и оценить значения существенных для фотоэффектов характерных длин в разных слоях структуры, исходя из полученных экспериментальных данных по спектральной чувствительности изготовленных структур. Результаты теории позволили также оптимизировать параметры изучаемых структур с целью увеличения к.п.д. данного фотопреобразователя за счет расширения области его спектральной чувствительности в сторону длинноволнового участка спектра солнечного излучения.

В пятой главе рассмотрены нелинейные фотоэлектрические и термоэлектрические эффекты, возникающие в полупроводниковых р - п - структурах с активными слоями толщиной в единицы микрон в условиях, когда носители заряда в таких структурах становятся энергетически неравновесными. В случае фотоэффектов причиной энергетической неравновесности является фотогенерация значительного количества неосновных носителей заряда, имеющих энергию более чем на порядок превышающую температуру равновесных основных носителей и фононов, особенно в полупроводниках с легкими неосновными носителяни (электронами) и тяжелыми основными (дырками). В последнем случае возникает значительный тер-моток горячих электронов из объема квазинейтральной р -области в направлении р - п - перехода, где электроны релаксируют по энергии либо за счет поверхностных процессов на гетерогранице, либо за счет эффективного теплообмена с электронами п -области. Согласно результатам квазилинейной теории, разработанной автором ранее, этот термоток увеличивает суммарный фототок, если длины остывания 1£ и диффузии электронов 1Й в объеме р - области сравнимы между собой, а также с глубиной поглощения света 1 и с толщиной р - области с! . В данной работе проведено исследование нелинейного фотоэффекта, связанного с подобным неоднородным фоторазогревом неосновных носителей, возникающим в достаточно тонкослойных р - п - гоноструктурах и в аналогичных гетероструктурах с варизонной р - областью.

В первом параграфе построена аналитическая теория указанного нелинейного фотоэффекта, вызванного сильным разогревом фотовозбужденных электронов в р - области полупроводниковой

структуры, для которой выполняется неравенства 1, с! << 1£, Рассмотрены разные варианты граничных условий на фронтальной поверхности освещаеной р- области, описывающие как случаи эффективной поверхностной реконбинации и релаксации энергии электронов, так и отсутствие этих поверхностных процессов. Аналитическое решение соответствующей нелинейной граничной задачи для уравнений непрерывности тока и баланса энергии носителей было получено благодаря использованию специальной замены переменных, позволившей упростить указанные уравнения и затем пренебречь объемными процессами релаксации, которые малоэффективны по сравнению с аналогичными процессами на границах.

В результате проведенного исследования выяснено, что в нелинейном режиме работы описанного фотопреобразователя относительный вклад термоэлектрических токов горячих электронов в суммарный фототок структуры убывает с увеличением интенсивности света. Тем не менее, даже в случае естественного солнечного освещения при выполнении перечисленных ваше условий ( прежде всего - при выполнении неравенства 1е > <3 ) и при типичных значениях прочих параметров структур, характерных для реальных экспериментальных ситуаций, термоток остается сравнимым по величине с обычным фототоком и заметно увеличивает результирующий фототок.

В реальных структурах при температурах Т - 300 Е длины остывания носителей обычно являются малыми ( 1£<0.1 мкм), так что разогрев носителей даже при большой избыточной энергии фотонов невелик. Поэтому, для достижения ощутимого эффекта от фоторазогрева электронов представляется целесообразным использовать гетероструктуры с варизонными слоями, в которых, подобно растяжению длины диффузии носителей за счет действия квазиэлектрического поля валентных сил, происходит аналогичное эффективное ■ растяжение и длины остывания электронов.

Учитывая сказанное, во втором параграфе данной главы изучен нелинейный фотоэффект, вызываемый фоторазогревом электронов в гетероструктуре с варизонной р- областью. Решение нелинейных уравнений непрерывности тока и баланса энергии электронов было выполнено на ЭВН для структур с разный профилем ширины запрещенной зоны в освещаемой р-области и с разными граничннни условиями на освещаемой поверхности. Проведенное исследование показало, что при выполнении определенных условий фоторазогрев электронов может быть использован для увеличения

фототока варизонных фотопреобразователей.

Выяснено, что даже при малых длинах остывания \е электроны разогреваются значительно, причем практически во всей вари-зонной области, а не только в тонком приповерхностном слое. Эффект такого разогрева оказывается весьма занетнын и, в зависимости от ряда условий, ногет быть разного знака. Установлено, что в структурах с варизонной р - областью, в которой поле валентных сил способствует собиранию неравновесных фотоносителей, при тех значениях основных физических параметров, которые являются типичными для экспериментальных ситуаций, неоднородный фоторазогрев электронов, возникающий внутри р - области, увеличивает фототок, если на освещаеной поверхности, где расположен токосьемнай контакт к яирокозонной части структуры, отсутствуют процессы рекомбинации и релаксации энергии неравновесных носителей заряда. В то же время, подобные эффекта разогрева, наоборот, могут значительно уменьшить фототок, если на поверхности происходит интенсивная рекомбинация носителей даже в отсутствие релаксации их энергии.

Полученные результаты объясняются тем, что при малых длинах остывания носителей основной эффект возникает за счет обычных диффузионных процессов. Появление неоднородного разогрева неравновесных носителей приводит к перераспределению этих носителей в образце. При этом в варизонных гетерострукту-рах, в отличие от р - п - структур с постоянной запрещенной зоной, распределение температуры электронов оказывается таким, что возникающие термотоки направляют заметную часть неравновесных носителей к освещаемой поверхности, что при наличии интенсивной рекомбинации на этой поверхности приводит к существенному снижению общей концентрации неравновесных электронов в р- области и тем самым уменьшает фототок. Если же скорости релаксации энергии и рекомбинации электронов на поверхности достаточно малы, то термотоки в варизонных слоях способствуют более эффективному собираний неравновесных носителей и таким образом увеличивают суммарный фототок.

В третьем параграфе этой главы рассмотрен термоэлектрический эффект, который возникает в результате появления отличия температуры носителей заряда Тм от температуры фононоп Т в тонкослойных р - п - структурах или классических р - п -сверхреяетках при наличии тепловых потоков, протекающих поперек р - п -переходов. Эффект обусловлен появлением больших

терноэдс на контактах со слоями обеднения, если реализуются условия, когда в таких слоях Ти ^ Т . В рассмотренных структурах указанные условия реализуются при выполнении неравенств \/е) << << <3И << х/"* , где <3„ , <1и - толщины р- и п- слоев, а . - длины остывания электронов и дырок в соответствующих слоях. Отличие Ти от Т в окрестности р - п -переходов в таких структурах возникает потому, что обедненные слои переходов не представляют сопротивления для потока тепла по фононной подсистеме, но препятствуют протеканию тепловых потоков по системе носителей заряда, навязывая тем самым пилообразный профиль распределения температуры носителей вдоль образца с отличием Ти от Т именно в области р - п -переходов. Рассмотренный термоэлектрический эффект может быть использован для создания миниатюрных датчиков тенпературы и полупроводниковых термометров с высокой чувствительностью, особенно если в качестве датчика применяются р - п -сверхреиетки, поскольку в них происходит сложение термоэдс, возникающих на каждом из чередующихся р - п- переходов.

В шестой главе проведено исследование ряда нелинейных кинетических эффектов, которые возникают в структурах, имеющих значительно меньшие толщин»! слоев по сравнению с рассмотренными выше, и в которых явления переноса не могут быть описаны в приближении эффективной температуры носителей заряда.

В первом параграфе изучены эффёктн баллистического переноса электронов поперек субмикронного полупроводникового слоя, возникающие при наличии параллельного слою магнитного поля. Влияние магнитного поля Н на перенос заряда в неоднородной среде с участками баллистического (бесстолкновительного) движения электронов может приводить к зависимостям проводимости от поля Н , существенно отличающимся от обычной зависимости, характерной для однородной среды. В данной работе исследовано протекание тока в простейшей структуре такого типа, состоящей из трех полупроводниковых слоев: двух сильно легированных "берегов" с малой длиной свободного пробега носителей и тонкого ( толщиною (3 ) слоя чистого материала, через который осуществляется баллистический перенос за.ряда.

В результате проведенного исследования установлено, что магнитосопротивление описанного выше тонкого слоя в широком интернале нагнитних полей определяется искривлением .баллистических траекторий носителей в слое. Существует характерное

магнитное поле Н0 , в котором электрон с тепловой скоростью движется по траектории с циклотронным радиусом rc - d/2 . В полях Н << Н0 магнитосопротивление линейно возрастает с увеличением магнитного поля, а в полях Н >> Н0 наблюдается экспоненциальный рост сопротивления слоя с магнитным полем. Учет слабого рассеяния в слое изменяет эти результаты линь в области очень слабых ( Н Ц, 4 Н0 ( d/1; )г , - длина свободного пробега электронов в слое ) и сильных магнитных полей ( Н 2 Н0 ln'/2 ( l;/d ) , где \i » d ).

При наложении сильного магнитного поля возникает специфическая нелинейность вольтамперной характеристики слоя в случае как симметричного, так и несимметричного контактов. Она вызвана конкуренцией между закручиванием траекторий электронов магнитным полем и их распрямлением в электрическом поле. Начальный линейный участок ВАХ в сильном магнитном поле затягивается за счет диффузионного движения электронов, обусловленного рассеянием на примесях.

Полученные в работе результаты могут быть применимы для полупроводниковых гетероструктур (здесь условия активационного баллистического преодоления барьера выполняются, например, при d - 0.2— 0.4 мкм , высоте барьера eV*. = 0.5 эВ , концентрации ионизованных примесей N^ ~ 10 см-3 ( l;/d « 5 ) , Т - 100 К ), структур металл - полупроводник и структур типа n - п - п+ на основе одного материала, если для промежуточной п - области субмикронной толщины дебаевский радиус тъ << d . Эти результаты можно использовать также для разработки датчиков магнитного поля; при этом в качестве чистого слоя целесообразно применять висмут, в котором длина свободного пробега электронов может быть порядка 1 ни , благодаря чему описанные выие эффекты могут возникать уже в полях Н ^ 10 Э.

Во втором параграфе рассмотрен нелинейный перенос электронов в полупроводниковых слоях несколько больней толщины, для которых выполняются неравенства << d « 1ее , 1£ ,

т.е. имеет место приближение энергетической баллистики /1, 2/. При этом был изучен эффект, связанный с продольным протеканием тока в таком слое . при наличии потенциальных барьеров на его боковых границах. В указанном случае, из-за отсутствия процессов релаксации энергии в объеме слоя и ограничения на эти процессы на поверхности, диктуемого условием £ > е Ук , где е Vk - высота потенциальных барьеров на границах, следует

ожидать формирования в слое при продольном протекании тока инвертированного распределения носителей заряда по энергиям.

Исследование данного эффекта выполнено путей численного решения на ЭВМ нелинейного кинетического уравнения, определявшего симметричную часть функции распределения электронов, которая в рассматриваемой задаче является также и функцией от пространственной координаты х поперек слоя.

Основные результаты проведенных расчетов состоят в том, что, во-первых, численное моделирование позволило доказать, что инверсия функции распределения действительно имеет место, и, во-вторых, в ходе этого исследования были уточнены условия, необходимые для появления инверсии, и выяснен общий вид неравновесной функции распределения электронов по энергиям, который она приобретает в различных условиях. В результате расчетов установлено, что наиболее ярко инверсия функции распределения носителей проявляется при некоторой оптимальной напряженности продольного электрического поля в слое, которая по порядку величины определяется условием Е = Ук / 6 .

В седьмой главе проведено исследование фотоэлектрических и термоэлектрических явлений, возникающих в субмикронных структурах, в которых не выполняются условия температурного приближения и неравновесная функция распределения носителей заряда по энергиям является существенно ненаксвелловской!

В первом параграфе рассмотрено возникновение в указанных структурах нелинейной фотоэдс в результате формирования неоднородного неиаксвелловского распределения электронов по энергиям при внутризоннон возбуждении электронной подсистемы высокочастотным электромагнитным излучением. Структуры с активными слоями субникронных толщин являются наиболее подходящими объектами для наблюдения фотоэффектов, обусловленных немакс-велловостью неравновесных распределений электронов, поскольку в столь тонких слоях из-за влияния поверхностных процессов релаксации не может сформироваться максвелловское распределение электронов, характеризуемое эффективной тенпературой носителей и соответствующим квазиуровнем Ферми. В итоге в таких структурах, в соответствии с общими результатами, описанными в четвертой главе, возникают дополнительные эдс, которые могут быть использованы для улучшения работы различных фотоэлектрических приборов.

Исследование фотоэдс в субникронных слоях при внутризон-

ной высокочастотном возбуждении электронов было выполнено для неоднородно легированных структур с разной зависимостью концентрации электронов п от координаты х поперек слоя. Были рассмотрены также разные механизмы рассеяния носителей внутри слоя. Исследование было проведено путем численного решения кинетического уравнения для симметричной части функции распределения носителей fj( б , х ) . Результаты, полученные в итоге этого исследования, позволили сделать вывод, что нарушение максвелловского. вида неравновесной функции распределения электронов fs(£ ,х ) , которое возникает при возбуждении основных носителей в субмикронных структурах, приводит к увеличению эдс в этих структурах по сравнению с той эдс, которая генерируется в условиях температурного приближения. Этот эффект оказывается весьма значительным, настолько, что уже в условиях слабого возбуждения, когда 2/3 <£> / Т - 1 « 0.05 , эдс возрастает более чем в два раза ( в случае DA-рассеяния импульса электронов). Различие в приросте средней энергии носителей составляет при этом не более 50Я, так что значительная часть эффекта (примерно половина всего прироста эдс ) действительно создается за счет изменения формы симметричной части функции, распределения. Качественно это изменение состоит в том, что вследствие возбуждения носителей уменьшается их количество в области малых энергий, но при этом из-за релаксации на границах структуры не может сильно возрасти и количество высокоэнергетичннх носителей, в результате чего появляется избыток носителей в области средних энергий <£ >~ 3/2 Т , что вполне согласуется с отсутствием значительного изменения средней энергии < £ > по сравнению с максвелловским распределением.

Что касается оптимальных условий, при которых возникающая фотоэдс максимальна, то наилучшими оказываются такие ситуации, когда рассеяние импульса электронов происходит на деформационном потенциале акустических фононов (DA - рассеяние, q = -1/2) и все встроенное поле структуры сконцентрировано внутри полупроводникового слоя, где возникает наибольшая деформация функции распределения fs(£ ,х) . Оптимальность иненно этих условий объясняется тем, что в случае DA - рассеяния в области налых энергий выполняется граничное условие, которое в большей степени способствует нарушению максвелловского вида функции f^ , чем условие, которое имеет несто при других механизмах рассеяния, а выбор такого профиля легирования п(х) , при которой

встроенное поле имеет максимум в центре слоя, приводит к тому, что наибольшая деформация функция ts(£,x) возникает как раз в области наибольшей неоднородности полупроводниковой структуры.

Во второй параграфе седьмой главы изучены терноэдс, возникающие в субмикронных структурах при протекании поперек этих структур тепловых потоков, которые тохе нарушает максвеллов-скую форму функции распределения носителей fs( £ , х ) . Поскольку это приводит к появлению дополнительных эде, то термо-эде V£ , наблюдаемые в этих условиях, тохе отличаются от тех терноэдс, которые появляются в температурном приблихении, и тем более от традиционных термоэде VT , возникающих в еще более толстых слоях, в которых тенпература электронов совпадает с температурой фононов.

Термоэде, возникающие в субмикронных структурах при не-максвелловскон распределении электронов по энергиям, были исследованы на примере трех типов структур:

1) однородного полупроводникового слоя;

2) неоднородного слоя с экспоненциальным профилен легирования и заданный отношением концентраций n(d) / п(0) = 10 ;

3) неоднородного слоя с тем хе отношеннем концентраций n(d) / п(0) - 10 , но с профилем легирования, соответствующий концентрации встроенного поля в середине субмикронного слоя. Для неоднородных структур рассматривались два разных случая взаинной ориентации градиента концентрации электронов -v п и приложенного извне градиента температуры фононов v Т , когда :

а) направления vu и сТ совпадают;

б) направления vn и с Т противоположны.

Во-всех случаях предполагалось DA - рассеяние импульсу электронов ( q - -1/2 ). С целью наиболее яркого проявления эффекта перепад температур дТ - Тг- 11 выбирался довольно большим (|дТ|"То-0.5( Т,+ Т2 ) ) , при котором дефорнация функции распределения была существенной.

Результаты проведенных расчетов показали, что протекание теплового потока поперек полупроводникового слоя приводит к деформации функции распределения электронов f^(£,x), выражающейся в появлении избытка электронов в области некоторых средних энергий £ £0 и соответствующего их дефицита в области меньших и больших энергий, причеи это инеет несто дахе в случае однородного слоя. Подобная деформация обусловлена тем, что при максвелловскон распределении парциальные токи носителей с

разными энергиями не обращается в нуль одновременно даже при равном нуле полном токе. Поэтому носители с разными энергиями приобретают или теряют в имеющемся термоэлектрическом поле определенную энергию и тем саннм переходят в другие области энергетического пространства. Возникающее отличие функции распределения носителей от максвелловской функции и приводит к появлению дополнительных термоэде. Последние появляются даже в однородном слое, хотя в этом случае они довольно малы и составляют лишь единицы процентов по отношению к обычной термоэде .Ут . Малость отличия У£ от Уг в этом случае связана с тем, что деформация возникает лишь в малом интервале энергий д£ ~ Т в окрестности характерной энергии £в ~ Т . В неоднородных структурах появляется другой характерный маептаб энергий, равный высоте потенциального барьера, созданного неоднородным легированием, который может в десятки раз превышать тепловую энергию е ~ Т . Поэтому в таких структурах деформация функции и, следовательно, дополнительные термоэде более

существенны, т.к. в этом случае на электроны, движущиеся поперек полупроводникового слоя, кроме термоэлектрического поля действует сильное встроенное поле структуры.

Проведенное численное моделирование позволило установить, что деформация функции ( е, х ) во всех рассмотренных случаях приводит к возрастанию термоэде. При этом в неоднородных образцах дополнительная термоэде л V = - в исследованных условиях достигала нескольких десятков процентов (в однородной слое ее рост составляет менее одного процента ). Величина дополнительной эде больше в тех структурах, у которых встроенное поле сосредоточенно внутри образца, поскольку в этом случае локальное встроенное поле больше, а влияние процессов релаксации на границах, соответственно, меньше. Если же встроенное поле примерно однородно, наблюдаемый эффект выражен не так ярко. Смена знака градиента концентрации в неоднородных образцах при заданном перепаде температуры не приводит к смене знака дополнительной эде и лишь немного изменяет ее величину. Последнее обусловлено тем, что в случае разомкнутых контактов, когда полный ток равен нулю, деформация функции Г^ в значительной степени связана с изменением средней энергии электронов, а это изменение таково, что связанная с ним часть дополнительной эде всегда имеет тот же знак, что и обычная термоэде Ут .

Проведенное исследование нелинейных фото- и термоэлектри-

ческих явлений, возникающих в субникронннх полупроводниковых структурах, позволило установить, что существуют значительные возможности для совершенствования различных фото- и термоэлектрических приборов за счет использования нового механизма формирования эдс, связанного с нарушением максвелловского вида неравновесной функции распределения носителей заряда в тонкослойных полупроводниковых структурах.

В заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Разработана теория нелинейного переноса энергетически неравновесных носителей заряда в микронных и субникронннх полупроводниковых структурах с инжектирующими и внпрянляющини контактами при выполнении условий импульсной и энергетической баллистики и в приближении эффективной электронной температуры.

1.1. Изучено формирование нелинейных БАХ тонких полупроводниковых слоев с инжектирующими контактами в условиях разогрева электронов при протекании поперек слоев тока, ограниченного пространственный зарядон (ТОПЗ). В указанных условиях ВАХ с участками ОДП формируются при других механизмах релаксации импульса и энергии электронов по сравнению с теми, которые приводят к появлению аналогичных ОДП в нассивных образцах. При этом области существования Б - и Н - образных ВАХ сужаются и за их счет расяиряются области петлеобразных и нонотонннх ВАХ. Формирование нелинейных ВАХ начинается с участков безразогрев-ннх ТОПЗ, если 1е < т^/А , и с чисто разогревной нелинейности, если 1£ > /д , где 1£ - длина остывания носителей, ть

- дебаевская длина экранирования, <1 - толщина полупроводникового слоя. Исследованы пространственнее распределения электрического поля, концентрации и температуры электронов в разных ситуациях. Выяснены условия, когда концентрация и тенпература инжектированных электронов локально зависят от величины электрического поля, неоднородно распределенного в образце.

1.2. Предложено теоретическое объяснение экспериментально наблюдавшегося эффекта переключения в тонких полуизолирующих слоях теллурида кадмия, основанное на рассмотрении нестационарных инжекционннх явлений. Показано, что в нестационарных

процессах инжекция носителей стимулирует электрический пробой в полупроводниковых слоях, даже если последние имеют высокую концентрацию ловушек.

1.3. Показано, что в периодически легированных полупроводниках с Ы-ОДП и пилообразным профилем легирования, за счет ослабления инжекционных явлений при одном из направлений тока, достигается повышение частоты электромагнитных колебаний, генерируемых в результате эффекта электрической неустойчивости.

1.4. Теоретически изучено сильное охлаждение электронов в тонкослойных структурах с выпрямляющими контактами и большими встроенными полями, позволяющее в реально достижимых условиях почти в два раза уменьшать эффективную шумовую температуру образца и открывающее возможности получать БАХ с ОДП за счет нелинейных явлений переноса в системе холодных электронов в других условиях по сравнению с теми, которые требуются в эффектах разогрева.

1.5. В субмикронных слоях при поперечном баллистическом переносе электронов реализуется линейное магнитосопротивление в слабом магнитном поле, повышающее чувствительность слоя как датчика магнитного поля. В сильном нагнитном поле сопротивление возрастает как экспонента от квадрата напряженности магнитного поля. Слабое рассеяние электронов в слое не оказывает существенного влияния на магнитосопротивление в области сильного изменения сопротивления при переходе от линейного к экспоненциальному участку.

1.6. В условиях энергетической баллистики для слоев с потенциальными барьерами на боковых границах предсказано появление инверсии функции распределения носителей по энергиям при продольном протекании электрического тока. Развита техника эффективного численного моделирования неравновесной немаксвел-ловской функции распределения электронов в субникроннон слое в приближении энергетической! баллистики, позволяющая теоретически исследовать широкий круг нелинейных явлений электронного переноса в тонкослойных полупроводниковых структурах.

2. Построена нелинейная теория фото- и териоэдс в тонкослойных р - п - структурах разного типа, включая варизонные структуры и классические сверхрешетки, в условиях неоднородной энергетической неравновесности носителей заряда, описнваеной в приближении эффективных тенператур неравновесных электронов и Дырок.

2.1. Выполнен общий анализ причин, неханизиов и условий формирования электродвижущих сил в среде с неравновесными носителями заряда в случае произвольного нарунения термодинамического равновесия.

2.2. Предложены новые пути повышения эффективности полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей за счет нелинейных эффектов фоторазогрева неосновных носителей заряда в варизонных р-п -структурах. Определены параметры структур, при которых эти эффекты улучшает работу преобразователей в обычных экспериментальных ситуациях, являющихся типичныни, когда такие эффекты выражены слабо и не становятся доминирующими. В структурах с варизонными слоями толщиною <1 ^ 1 мкм эффекты разогрева заметны даже при налых длинах остывания ( 1£ -— 0.1 мкн), но при этом, наряду с требованием отсутствия разогрева электронов и дырок на р-п-переходе, существенным условием является отсутствие рекомбинации и релаксации-энергии неосновных носителей на освещаемой поверхности, поскольку в противном случае, в отличие от гомоструктур, термоток неосновных носителей уменьшает фототок.

2.3. Обнаружено появление в пленочных преобразователях р-Сс!Те/п-С(35 варизонных прослоек с нетипичным профилем запрещенной зоны, увеличивающим к.п.д. этих преобразователей. Показано, что в поликристаллических преобразователях для уменьшения токов утечки, вызванных влиянием межзеренных границ, размер зерен должен превышать длину реконбинации неравновесных носителей в большей степени, чем предполагалось ранее.

2.4. Предсказано увеличение термоэде в классических р-п -сверхреиетках, связанное с появлением энергетической неравновесности электронов при протекании тепловых потоков вдоль оси этих сверхрешеток.

3. Открыты и исследованы новые механизны формирования эде в полупроводниковых структурах, связанные с нарушением макс-велловского вида симметричной части неравновесной функции распределения носителей заряда по импульсам.

3.1. Установлено существование нового механизма возбуждения эде за счет нарушения наксвелловского вида симметричной части функции распределения носителей. Этот механизн обладает высоким быстродействием и обеспечивает появление фотоэде даже в монополярной среде в условиях пространственной однородности макроскопических параметров, описывающих неравновесную систему,

таких как концентрация и средняя' энергия носителей заряда.

3.2. Предсказано увеличение фотоэдс и быстродействия полупроводниковых фотоприенников на основе субникронннх слоев и структур, действующих за счет эффекта нарушения наксвелловско-го вида функции распределения носителей при внутризоннон воз-бухдении этих носителей высокочастотным электромагнитным излучением.

3.3. Установлено, что за счет формирования ненаксвеллов-ской функции распределения носителей при протекании теплового потока поперек тонкого полупроводникового слоя происходит увеличение эдс термоэлектрических преобразователей энергии на основе полупроводниковых структур субмикронных размеров.

Цитированная литература

1. Гуревич В.Г., Логвинов Г.Н. Функция распределения ( ФР ) электронов в субникронннх слоях в греющих электрических полях // «П.- 1990.- Т.24, вып.10.- С.1715-1720.

2. Логвинов Г.Н. Аппроксинация кинетического уравнения Больц-мана в ограниченных полупроводниках // Известия вузов. Физика. - 1991.- Вып.1.- С.59-64.

3. Басс Ф.Г., Гуревич Ю.Г. Горячие электроны и сильные электромагнитные волны в плазме полупроводников и газового разряда. - П.: Наука, 1975. - 400 с.

4. Басс Ф.Г., Бочков B.C., Гуревич Ю.Г. Электроны и фононы в ограниченных полупроводниках. - П.: Наука, 1984. - 288 с.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Гуревич D.T., йавкевич О.Л., Срченко В.Б. Вольтамперные характеристики слоев обогащения с горячими, носителями тока // ФТП.- 1988.- Т.22, вып.П.- С.1955-1960.

2. Бойко Б.Т., Гайка К.И., Копач Г.И., Копач В.Р., Хрипунов Г.С., Срченко В.Б. Индуцированные полем явления неустойчивости в полуизолирующем теллуриде кадмия //VII Все-союзн. конф. "Химия, физика и техническое применение халь-когенидов". Тез. докл., Ч.З. г.Ужгород.- 1988,- С.318.

3. Yurchenko V.B. Extra Oscillations in Periodically Doped Structures with Negative Differential Resistance // Lithuanian J. Phys.- 1992.- V.32, n.5 Suppl.- P.181-184.

4. Гулямов Г., Закиров Н., Юрченко В.Б. Глубокое охлаждение носителей тока в структурах с выпрямляющими контактами // т.- 1990.- Т.35, вып.2.- С.282-285.

5. Гуревич С.Г., Зозуля В.Л., Юрченко В.Б. .Сильное охлаждение электронов в неоднородно легированных полупроводниках // УФ1.- 1990.- Т.35, вып.6.- С.904-907.

6. Гуревич D.T., Зозуля В.Л., Юрченко В.Б. Отрицательное дифференциальное сопротивление при охлаждении электронов в неоднородно легированном полупроводнике // $ТП. - 1989. -Т.23, вып.4.- С.643-646.

7. Гуревич Ю.Г., Зозуля В.Л., Юрченко В.Б. Эффективный фотоприемник на "холодных" носителях тока // I Всесоюзн. конф. "Физические основы твердотельной электроники". Тез. докл., т.А. г.Ленинград.- 1989.- С.186.

8. Гуревич Ю.Г., Зозуля В.Л., Юрченко В.Б. Новые механизмы формирования ОДП при охлаждении электронов в коротких неоднородных образцах //VII Всесоюзный симпозиум "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" ( 28-30 сентября 1989г., г.Паланга). Тез. докл., 4.2. г.Вильнюс.- 1989.- С.270-271.

9. Гуревич Ю.Г., Юрченко В.Б. Проблема формирования ЭДС в полупроводниках и вывода ее во внешнюю цепь // ФТП.- 1991.

- Т.25, вып.12:- С.2109-2114.

10. Гуревич Ь.Г., Врченко В.Б. Высокочастотная генерация носителей и возникновение эдс в полупроводниковых структурах // Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами. Труды II Всесоюзн. школы-семинара. 4.1. г.Саратов.- 1988.- С.38-45.

11. Гуревич D.T., Юрченко В.Б. Новый класс фотоэлектрических эффектов в варизонных структурах кремний-германий // VIII Коорд. совещание по исследованию и применению твердых растворов кремний - германий. Тез. докл., Ташкент. - 1991. -С.21.

12. Gurevich Yu.G., Yurchenko V.B. Generation of Photovoltage in Homogeneous Unipolar Conductive Mediua // Solid State Comnun. - 1989. - Vol.72, Ho.10. - P.1057-1058.

13. Gurevich Yu.G., Yurchenko V.B. Anonalous Electronotive Forces in Seaiconductors with Non-Fenian Carrier Distribution Functions // The 8th Vilnius Symposium on Ultrafast Phenomena in Seiiconductors, Sept. 22-24, 1992: Abstracts.

- Vilnius, 1992. - P.41.

14. Бойко Б.Т., Юрченко Б.Б., Копач Г.И. и др. Фотоэлектрические свойства пленочных гетеропереходов с варизонными прослойками на основе CdTe // Болг. физ. журн,- 1987.- Т.14, N.2.- С.157-163.

15. Копач Г.И., Хрипунов Г.С., Юрченко В.Б. Численное моделирование фотоэлектрических процессов в пленочных гетеро-структурах p-CdTe/n-CdS с варизонннми прослойками CdTeS // Гелиотехника.- 1991.- N.3.- С.25-28.

16. Юрченко В.Б. Нодель выпрямляющих и фотоэлектрических свойств р-п -переходов в поликристаллических полупроводниках //XII Совещание по теории полупроводников (г.Ташкент). Тез. докл;, 4.2. г.Киев.- 1985.- С.313-314.

17. Гуревич С.Г., Юрченко В.Б. Нелинейные эффекты при нешзон-ном поглощении света в полупроводниках // Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полулроводнико-во-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ-схем. 4.1. г.Саратов.- 1985.- С.62-69.

18. Гуревич Ю.Г., Юрченко В.Б. Фотовольтаический эффект на горячих носителях тока // Болг. физ. шурн.- 1987.- Т.14, М.1. - С.52-58.

19. Yurchenko V.B. Hot Carriers in.Photoreceivers: Ne* Ways for Device Development // BILCON'92: The 1992 Bilkent Int. Conf. on Lightwave Technology and Comaunications, Bilkent, July 27-28, 1992 : Proceedings. Ankara, Turkey. - 1992. -P.137-143.

20. Бочков A.B., Гуревич Ь.Г, Мавкевич О.Л., Юрченко В.Б. Новые механизмы возникновения термоэдс// Всесоюзн. совещание "Пленочные термоэлектрические преобразователи и устройства на их основе". Тез. докл., г.Москва.- 1988.- С.11.

21. Гуревич Ю.Г., Юрченко. В.Б. Аномальные термоэдс в классических р-n -сверхрешетках в многотемпературной модели // XII Всесоюзн. конф. по физике полупроводников. Тез. докл., 4.2. г.Киев. - 1990. - С.130.

22. Глазман Л.Й., Юрченко В.Б. Сопротивление и ВАХ чистого полупроводникового контакта в магнитном поле // ФТП.- 1988.-Т.22, вяп.З.- С.465-470.

23. Гуревич Ю.Г., Логвинов Г.Н., Юрченко В.Б. Немаксвелловские распределения электронов в субмикронных структурах - физическая основа новых элементов СВЧ электроники // Труды III Всесоюзной иколы-семинара "Взаимодействие электромагнитных

волн с твердым телом", г.Саратов.- 1991.- С.19-23.

24. Гуревич Б.Г., Логвинов Г.Н., Юрченко Б.Б. Инвертированное распределение носителей по энергиян при протекании тока вдоль субмикронного полупроводникового слоя // ФТТ.- 1992. - Т.34, вып.6.- С.1666-1670.

25. Yurchenko У.В. Hew Hot-Carrier Effects In Submicron Structures for Infrared and Hilliieter Wave Весе1vers // The 18th Int. Conf. on Infrared and Hilliieter Haves. Ed. J.B.Birch, T.J.Parker, Proc. SPIE 2104, 1993. - P.46-47.

26. Yurchenko V.B. Hot-Carrier Photovoltaic Effects in Sub-ilcron Superlattices as a Basis for Novel Photonic Devices //The 24th General Asseiblу of the UESI. Abstracts. Kyoto, Japan. - 1993. - P.147.

27. Анопченко А.С., Юрченко В.Б. Численное моделирование нелинейных термоэдс в субмикронннх полупроводниковых структурах // Международн. научн.-техн. конф. "Компьютер: наука, техника, технология, здоровье". Тез. докл., Харьков, Ния-кольц: ХПИ, МУ. - 1993. - С.214-215.

Врченко Владимир Борисович НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА И ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭДС. .В МИКРОННЫХ И СУБМИКРОНННХ СТРУКТУРАХ

Подп. в печ. 07.02.94. Формат 60x84/16. Бум.офс. Офо.печ. Усл.печ.л. 2,0 уч.-из. Тираж 100 экз. Зак. 12.

ИРЭ АН Украины, Харьков-85, ул.Ак.Проскуры,12.