Неустойчивость тока в многослойных структурах с активными энергетическими уровнями

Григорьян, Леонтий Рустемович

Неустойчивость тока в многослойных структурах с активными энергетическими уровнями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Григорьян, Леонтий Рустемович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Краснодар МЕСТО ЗАЩИТЫ

2003 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Неустойчивость тока в многослойных структурах с активными энергетическими уровнями»

Автореферат диссертации на тему "Неустойчивость тока в многослойных структурах с активными энергетическими уровнями"

На правах рукописи

ГРИГОРЬЯН ЛЕОНТИЙ РУСТЕМОВИЧ

НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ТОКА В МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ с АКТИВНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ УРОВНЯМИ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Краснодар - 2003

Работа выполнена в Кубанском государственном университете. Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

- доктор физ.-мат. наук, профессор Богатое Николай Маркович.

-доктор физ.-мат. наук, профессор Фомин Василий Васильевич, -кандидат физ.-мат. наук, Пивень Владимир Алексеевич.

Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ)

Защита диссертации состоится «18» сентября 2003 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д-212.101.07 Кубанского государственного университета, Краснодар, ул. Ставропольская 149.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Кубанского государственного университета.

Автореферат разослан « ^ » ¿¿¿¿¿¿А' 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета^^^^^-^*^ Евдокимов А. А.

0^4*7 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

г Актуальность работы. Широкое проникновение новейших достижений радиоэлектроники в технику обработки информации, системы автоматизации и робототехники является характерной чертой происходящего в обществе научно-технического прогресса. Поэтому понятен большой интерес к вопросам развития радиоэлектроники и ее влияния на развитие общества и государства.

Современная электроника, являясь основным средством обработки информации, развивается по двум главным направлениям: интегральной электроники или микроэлектроники, и функциональной электроники. Основные тенденции развития микроэлектроники обусловлены идеологией больших и сверхбольших интегральных схем и осуществляются в направлении освоения субнаносекундных интервалов времени и субмикронных размеров компонентов сверхвысоких уровней интеграции. Эти достижения, реализующиеся на основе транзисторной схемо - и системотехники, используют классические методы схемной радиотехники, теории электрических цепей и основаны на принципе технологической интеграции статических неоднородностей - потенциальных барьеров, к которым относятся легированные разными примесями полупроводниковые области активных компонентов интегральных схем (диодов, транзисторов), металлические и диэлектрические участки кристалла.

Разработчики интегральных схем первого направления активно ищут способы преодоления "тирании количества", способы обхода технологических и физических барьеров. С этой целью разрабатываются вертикальные структуры, в которых стараются разместить максимум элементов в минимальном пространстве. Активные и пассивные элементы схемы размещаются в объеме, и интегральная схема становится трехмерной.

Второе направление основано на полном отказе от понятия классических схемных элементов и непосредственном использовании физических явлений в твердом теле, связанных с кинетическими, квантовыми, механическими, тепловыми, излучательными и магнитными эффектами, а также явлений в жидких средах, связанных с электрохимическими процессами, для выполнения функций сложных электронных систем.

Эти явления являются физической основой функциональной электроники. Интеграция в функциональной электронике параметрическая, где интегрируются функции преобразования, что исключает схемотехнический принцип их формирования, а, следовательно, компонентную и элементную их интеграцию. Физические процессы и явления, происходящие в твердом теле, используются для моделирования функций передачи и преобразования, определяемых алгоритмами обработки массивов информации. Другими словами, функциональная электроника основана не на схемной радиотехнике с использованием статических неоднородностей (потенциальных барьеров) и технологической интеграции,

I библиотека /

■ шдмИ

характеризующих интегральную электронику, а на физических принципах интеграции динамических неоднородностей (электрические и магнитные домены, магнитные вихри, волны деформации, зарядовые пакеты и др.), возникающих в процессе эксплуатации электронной системы. Известно большое количество динамических неоднородностей различной физической природы. Это ансамбли заряженных частиц и квазичастиц (зарядовые пакеты, флуксоны и т.п.), домены (электрические домены, цилиндрические магнитные домены и т.п.), динамические неоднородности волновой природы (поверхностные акустические волны, магнитные статические волны и т.п.). Одним из наиболее известных элементов функциональной электроники основанной на использовании динамической неоднородности является кристалл арсенида галлия, в котором возникают движущиеся домены, проявившееся в возникновении неустойчивости тока (эффект Ганна).

Значительный интерес для функциональной электроники представляют физические процессы, связанные с образованием динамических неоднородностей в многослойных структурах. Ранее неустойчивость тока была обнаружена в структурах с реальными контактами металл -полупроводник. Однако, неустойчивость тока наблюдались только при определенных внешних воздействиях, что ограничивало использование эффекта.

Дальнейшие исследования авторов были связаны с изучением физических процессов, приводящих к возникновению обнаруженной поверхностно-барьерной неустойчивости тока. Показано, что особенности процессов в таких структурах связаны с периодическим заполнением поверхностных состояний (ПС) в активном контакте. Следует отметить, что в этих работах рассматривались твердотельные структуры только с металл-тунельно прозрачный окисел полупроводник - контактом. Однако, как показали исследования, неустойчивость тока в структуре возникает и в том случае, если в качестве активного контакта использовать п+-р-диод, образующий с п-областью р+-п-перехода п+-р-п-транзистор.

В диссертационной работе изучаются твердотельные структуры с распределенным эмитгерным переходом и активным контактом, отличающиеся, во-первых, сложной структурой коллекторного перехода, площадь которого на несколько порядков меньше площади эмитгерного, во-вторых, усилением тока с а>1 на коллекторном переходе, который далее будем называть активным контактом. В качестве активного контакта может выступать контакт металл-туннельно-прозрачный окисел полупроводник (МТОП-контакт) (Туннелистор) или локальный п+-р- переход (БИСПИН-структура).

Следует отметить, что, несмотря на проведенные ранее исследования характеристик многослойных структур с МТОП - контактом, электрофизические и фотоэлектрические процессы, определяющие их параметры и характеристики, выяснены только в самых общих чертах. Все

особенности неустойчивости тока объяснялись периодическим опустошением и заполнением поверхностных состояний. Кроме того, было установлено, что на возникновение неустойчивости тока в МТОП структуре влияет накопление в базе неосновных носителей заряда. Динамика накопления носителей заряда и определяющие ее факторы ранее не исследовались.

Представление структуры как динамической колебательной системы проводилось упрощенно, не установлено необходимое условие появления неустойчивости тока (колебаний) в структуре. Детальное моделирование процессов, приводящих к неустойчивости тока в структуре выполнялись также в упрощенном виде.

Сравнительный анализ общих закономерностей электрофизических свойств МТОП и Биспин структур ранее не проводился. При исследовании функциональных возможностей структур мало внимания уделялось задачам, связанных с исследованием применения структур с активными и пассивными элементами.

Таким образом, углубление исследования неустойчивости тока в многослойных структурах с активными контактами как в теоретическом, так и практическом аспектах является актуальной задачей.

Цель работы.

Исследование закономерностей возникновения неустойчивости тока в сложных многослойных структурах, вследствие накопления заряда в активном контакте.

Задачи работы:

1. Провести измерение электрофизических и фотоэлектрических характеристик многослойных структур.

2. Построить эквивалентную схему многослойных транзисторных структур.

3. Разработать модель, объясняющую неустойчивость тока в многослойных структурах с активными энергетическими уровнями.

4. Провести сопоставление теоретических фазовых диаграмм с экспериментальными вольтамперными характеристиками и определить характерные временные параметры процесса неустойчивости.

5. Провести сравнительный анализ свойств МТОП и Биспин структур.

6. Исследовать влияние внешних воздействий на характер наблюдаемых колебаний тока в активном контакте структуры.

7. Проанализировать возможность практического применения структур с распределенным эмиттером.

Научная новизна.

1. Построена феноменологическая модель и эквивалентная схема многослойных структур в динамическом режиме, учитывающая накопление носителей заряда и туннельный пробой активного контакта.

2. Впервые проведен сравнительный анализ вольтамперных, частотных, температурных, фотоэлектрических и вольтфарадных

характеристик многослойных структур с различным типом активного контакта.

3. На основе расчета барьерной и дифференциальной емкости распределенного р+-п - перехода для обоих типов структур, впервые продемонстрировано влияние процесса накопления неосновных носителей заряда на напряженность электрического поля в области пространственного заряда активного контакта.

4. Показано, что многослойные структуры с активным контактом являются динамической колебательной системой.

5. Определены необходимые и достаточные условия возникновения неустойчивости тока в многослойных структурах с активным контактом.

Практическая ценность.

1. Проведен сравнительный анализ структур с различным активным контактом, что позволяет выявить наиболее перспективные области применения структур в зависимости от типа АК.

2. Установлено, что в структуре с МТОП - контактом в режиме генерации, АК имеет сравнительно большую составляющую обратного тока 1Р=0,1-7-0,8 мА, что обуславливает возможность работы структуры от одного источника питания.

3. Ток 1Р, протекая по распределенному сопротивлению п - слоя, создает на р+-п - переходе автоматическое прямое смещение, поэтому обратный ток АК Биспина очень мал, и для него требуются два источника питания: одно — для нелинейного контакта, другое - для цепи р+-п - перехода, это обуславливает более высокую чувствительность к оптическому излучению Биспина, чем Туннелистора.

4. Исследованные структуры благодаря своим электрическим и фотоэлектрическим характеристикам являются перспективными активными элементами функциональной электроники, обладающими следующими свойствами: малое время отклика на воздействие, многофункциональность, наличие трех каналов управления, широкий динамический диапазон, один из каналов гальванически развязан, выходные импульсы напряжения до 10 В обуславливают хорошее согласование с цифровыми схемами обработки информации.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Многослойные структуры с активным контактом являются колебательной системой с единичной степенью свободы, а активный контакт как элемент структуры - колебательной системой с половинной степенью свободы.

2. Наиболее существенной физической закономерностью, определяющей возникновение колебаний тока, является зависимость напряженности электрического поля области пространственного заряда активного контакта от концентрации неосновных носителей заряда в базе структуры, обусловленная геометрией структуры.

3. Одной из причин возникновения неустойчивости тока является накопление заряда в базе структуры, при этом период колебаний определяется временем заполнения дырками ОПЗ активного контакта, а длительность -временем рекомбинации с избыточными неравновесными электронами.

4. Барьерная емкость р+-п - перехода исследуемых структур изменяется более 104 раз при изменении потенциала эмиттера на 1В вследствие периодического накопления заряда в локальном участке ОПЗ перехода, что дает основание считать многослойные структуры с распределенным эмиттером функциональными структурами с накоплением заряда.

5. Транзисторные слоистые структуры являются перспективными приборами функциональной электроники со следующими характеристиками: частота генерации 10"2+106 Гц; чувствительность к оптическому излучению 108-И09 Гц/Вт; чувствительность по току 0,8-г4 Гц/мкА, по сопротивлению 0,1+1000 мкс/кОм, по емкости 0,1-5-1,5 мкс/пФ.

Апробация работы. Основные результаты исследований опубликованы в 11 печатных статьях и тезисах докладов конференций. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: третья всероссийская научно -техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 1996); четвертая всероссийская научно - техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 1997); межрегиональная научно-практическая конференция «Экология Культура Образование» (Сочи, 1997); международный форум по проблемам науки, техники и образования (Москва, 1997); Semiconductor Devise Research Symposium (University of Virginia, 1997);

пятая всероссийская научно - техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 1998); первый всероссийский семинар «Моделирование неравновесных систем - 98» (Красноярск, 1998); шестая всероссийская научно - техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 1999); седьмая всероссийская научно - техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 2000).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка. Общий объем работы составляет 161 страницу, включая 56 рисунков и список литературы из 118 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность темы и определена цель и задачи работы, показана новизна полученных результатов и их практическая ценность, излагаются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Неустойчивость тока в многослойных твердотельных структурах» посвящена обзору отечественных и зарубежных научных работ, связанных с исследованием процессов неустойчивости электрического тока в твердотельных структурах. Проведен классификационный анализ приборов функциональной электроники по используемым динамическим неоднородностям. Кратко рассмотрены неустойчивости тока в однородных полупроводниках, более подробно рассмотрены работы по неустойчивости тока в неоднородных полупроводниковых структурах. Отмечено, что вопрос возникновения неустойчивости тока изучен в диодных структурах, а исследований, посвященных неустойчивостям тока в многослойных структурах насчитываются единицы. В исследуемых многослойных структурах протяженность эмитгерного перехода на несколько порядков больше его толщины и размеров активного контакта. Поэтому для отражения указанных геометрических особенностей введен термин распределенный эмитгерный переход.

Далее приведен аналитический обзор работ по структурам с распределенным эмиттерным переходом, охватывающий практически все имеющиеся по этому вопросу работы. Детально проанализированы существующие работы, отражающие особенности физических процессов в многослойных структурах. Подчеркивается, что ни в одной из работ детально не рассматривался процесс накопления неосновных носителей в базе, а детальные исследования влияния процесса накопления на неустойчивость тока не проводились. Критический анализ работ различных авторов показывает, что еще не выработана модель, объясняющая все наблюдаемые особенности токопереноса в многослойных структурах.

В заключении обзора проведен обобщающий анализ работ по неустойчивости тока в многослойных структурах, установлено, что хотя ранее и исследовалась неустойчивость тока в таких структурах, необходимые и достаточные условия возникновения неустойчивости тока в них так и не были выявлены.

Вторая глава «Методика исследования неустойчивости тока в многослойных твердотельных структурах» посвящена конструктивно-технологическим аспектам изготовления образцов многослойных структур и методике исследования структур с распределенным р+-п - переходом. Исследуются образцы двух типов: МТОП - структура, в которой коллекторный переход выполнен в виде металл - туннельно - прозрачный - окисел - полупроводник структуры и Биспин - структура, в которой соответственно коллекторный переход выполнен в виде встроенного локального п+-р-п - или р+-п-р -транзистора. Общей чертой этих структур является наличие распределенного

эмиттерного р+-п-перехода и локального активного контакта, причем площадь коллекторного перехода на несколько порядков меньше площади эмиттерного, и на коллекторном переходе (активном контакте) существует инжекционная неустойчивость. Конструктивные отличия обеих структур от своего ближайшего полупроводникового прототипа (транзистора): наличие активного контакта, распределенного эмиттерного перехода со значительно различными размерами их площадей, подложка представляет собой сильно легированный слой р«0,03 Ом-см, расстояние между контактами значительно больше диффузионной длины волны носителей заряда, а толщина п - слоя с рк1-И Ом-см значительно меньше диффузионной длины волны (15 т 18 мкм). Описана технология изготовления кремниевых и германиевых образцов с МТОП активным контактом и кремниевых образцов с Биспин - контактом. Проведен анализ основных погрешностей связанных с электрическими и фотоэлектрическими исследованиями структур.

Третья глава «Экспериментальное исследование электрофизических и фотоэлектрических характеристик структур с распределенным эмиттерным переходом» содержит результаты оригинальных исследований и анализ электрофизических и фотоэлектрических характеристик МТОП и Биспин структур. Приведены статистические и импульсные вольтамперные характеристики многослойных структур с различными активными контактами при различных схемах включения, на основе которых построена и исследована их эквивалентная схема. Показано, что при типичном подключении структуры с распределенным р+-п - переходом к источнику постоянного напряжения критическое напряжение возникновения неустойчивости тока зависит от величины тока через подложку структуры. Эта зависимость определяет в конечном итоге концентрацию аккумулируемых дырок (неосновных носителей) в области пространственного заряда под активным контактом.

На основе анализа ВАХ структур установлено, что в зависимости от вида подключения в неравновесных условиях может наблюдаться либо участок отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС), определяющий нарастание тока через структуру, либо участок отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) при уменьшении тока, или же петля гистерезиса. Появление ОДС и ОДП обусловлено установлением в структурах положительной обратной связи соответственно по току и напряжению.

Исследованы фотоэлектрические свойства структур, а именно: зависимости частоты колебаний тока от интенсивности освещения и длины волны; зависимости величины критического напряжения возбуждения колебаний тока в структуре от освещения, установлено, что изменение мощности оптического излучения в пределах 0,05*2 мВт приводит к изменению частоты следования импульсов в 104 раза в области собственного поглощения базы структуры. Максимум чувствительности наблюдался при А.=0,7-н0,9 мкм. Существенное влияние на чувствительность к оптическому

излучению оказывает величина напряжения питания, с увеличением которой чувствительность уменьшается. Это обусловлено тем, что при малых значениях напряжения питания по распределенному сопротивлению текут токи, сравнимые с фототоком, и действие фототока выражено значительно сильнее. С увеличением напряжения питания действие фототока уменьшается, и при определенном значении напряжения питания чувствительность к свету минимальна.

На основе исследований температурных свойств образцов установлено, что с понижением температуры период и амплитуды колебаний уменьшаются, а критическое напряжение возникновения колебаний увеличивается. В то же время с увеличением температуры критическое напряжение необходимое для возникновения колебаний (неустойчивости тока) уменьшается.

Проведены исследования полного дифференциального сопротивления структур с распределенным р-п - переходом от напряжения на активном контакте. Установлена идентичность зависимости полного дифференциального сопротивления от напряжения питания 11а; физические процессы, определяющие резкое возрастание тока через АК и приводящие в итоге к появлению неустойчивости тока, схожие в обоих типах структур, что подтверждается и идентичностью ВАХ. Для сравнения экспериментально полученных зависимостей проводимости и емкости АК, рассмотрены

барьерная и дифференциальная емкости оценочный ее расчет, по формулам:

р -п

перехода и проведен

ее йд{п + рпе"

2(<р + и)

■Б'

<Ю

2(ф + и)

а — 31

<&оЯР„ т^ект )(Ф + и) - (и + Р„ект) кТ

(2)

^ (ф+и)2

Расчет барьерной и дифференциальной емкости позволил непосредственно подтвердить модель, связывающую изменение потенциала р+-области с параметрическим изменением емкости области пространственного заряда р+-п - перехода, причем это изменение происходит за счет периодического накопления дырок (неосновных носителей) в локальном участке ОПЗ, площадь которого совпадает с площадью АК. Установлено, что периодическое накопление и рассасывание в базе заряда дырок, вызывающие сужение и расширение ОПЗ как АК, так и распределенного перехода вызывает соответственно параметрическое изменение их барьерных емкостей Са и Ср_„, поскольку распределенный р+-п -переход, смещенный своей большей частью в обратном направлении имеет большое (105-И07 Ом) сопротивление, параметрическое изменение его

емкости вызывает колебания потенциала р+ - области, что подтверждается экспериментальными данными.

Исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств для структур с распределенным р+-п - переходом с различными типами контактов позволило сделать вывод, что структуры имеют много общих свойств, что позволяет сформулировать общие положения многослойных структур с распределенным р+-п — переходом: причиной возникновения колебаний является процесс накопления носителей заряда с последующим туннельным пробоем активного контакта; длительность импульсов определяется временем рекомбинации неравновесных электронов; бисмещенный р+-п - переход в момент импульса тока; наличие выходных сигналов двух типов: пилообразного на р+-области и последовательность импульсов на АК; большая амплитуда выходных сигналов, до напряжения питания; реагирование на внешние воздействия и параметры внешней электрической цепи.

На основе особенности электрофизических и фотоэлектрических характеристик установлено 3 режима работы структуры:

1) "закрытое" состояние (при Ц, < иш) 111Ы1>5кОм когда через структуру протекают только незначительные обратные токи р+-п-перехода (не более 1 мкА) и АК (не более 0,1 мА), этому состоянию соответствует процесс накопления дырок в базе;

2) режим генерации колебаний (при и, = и,*) Яр.п>5кОм, когда ток через активный контакт периодически изменяется от 10"6 до 210"2 А, а напряжение на р+-области от 0,5 В до напряжения, близкого к напряжению источника питания; этому режиму соответствует периодическое накопление и рекомбинация дырок в базе и, соответственно, периодический пробой и восстановление потенциального барьера в АК;

3) высокопроводящие состояние (при Ц, > Ц«) 11р-„<5кОм, когда через АК протекает постоянный ток, величина которого определяется сопротивлением нагрузки Ян и распределенным сопротивлением базы.

Перевод структуры из одного состояния в другое осуществляется изменением концентрации и скорости накопления дырок, которое определяется изменением параметров внешней электрической цепи или внешними воздействиями.

В четвертой главе «Феноменологическая модель процессов неустойчивости электрического тока в многослойных структурах» разработана электрическая модель структур, базирующаяся на учете особенностей электрофизических процессов.

Приведены результаты теоретических исследований физических процессов в многослойных транзисторных структурах и их качественный анализ, проанализирован процесс накопления неосновных носителей в базе СРП, и его влияние на параметры неустойчивости тока.

Поскольку в рассмотренных структурах наблюдались колебания,

возникающие без подключения к образцу внешнего колебательного контура, наличие на ВАХ Б или N характеристик является недостаточным условием существования колебаний. В структуре при наличии колебаний, должны существовать некоторые процессы, способные быстро вывести систему из состояния равновесия и медленно вернуть её в состояние равновесия (или же наоборот, медленно вывести и быстро вернуть). Таким процессом в многослойных структурах являются процессы, связанные с периодическим опустошением и заполнением одних и тех же ловушек, причем в качестве ловушек могут выступать как поверхностные уровни, так и ловушки, созданные топологией структуры (потенциальные ямы и барьеры).

Условия возникновения колебаний могут быть проанализированы на основе уравнений кинетики заполнения ловушек носителями заряда. В отсутствие дополнительных к термической генерации источников изменения концентрации носителей, уравнения кинетики в гомогенных системах имеют только затухающие, но не осциллирующие решения. Если же помимо термической генерации имеются дополнительные каналы изменения концентрации (рост сечения электронов в результате разогрева электронного газа, освещение и дополнительная генерация электронов с примеси), то уравнения кинетики могут иметь периодические решения. В такой сложной неоднородной системе, как СРП структуры, обладающей несколькими характеристическими временами установления электронного равновесия, в неравновесных условиях возможно существование значительное количество каналов изменения концентрации носителей, определяющих ток через контакт. Это приводит к существованию в системе быстрых и медленных процессов и уравнения кинетики могут иметь колебательные решения.

Проведены качественные исследования МТОП - структуры как динамической колебательной системы. В основе системы лежит уравнение кинетики изменения заряда в поверхностных состояний (ПС), в котором первое слагаемое описывает захват на ПС и рекомбинацию, а второе -туннельный срыв:

Лт „( г ^

■=сп

+ п,-Уй-К(р5,т) {И,-т)-ТГ-т, (3)

Vе у

где п$ = пп ехр

еср ~кТ

(4)

/т-ток эмиссии из металла; С„ - сечение захвата электрона на ПС; Л -постоянная Ричардсона; ЕР - положение уровня Ферми; У„ - тепловая скорость электрона; т - концентрация электронов на ПС; Л(р$,т)~

слагаемое учитывающие рекомбинацию в активном контакте; М, -концентрация ПС; - неравновесная концентрация дырок в активном контакте; п5 — концентрация электронов в приповерхностном слое; п„ -объемная концентрация электронов в области. Ш - вероятность

туннелирования электронов из ПС в зону проводимости, зависящая от неравновесной концентрации электронов на ПС и дырок в ОПЗ, определяющих параметры потенциального барьера.

Для анализа колебательной системы, необходимо исходить из того,

что в уравнение (3) отсутствует слагаемое ^ т, и поэтому уравнение

Ш1

фактически описывает вырожденную динамическую колебательную систему

вида {(т где концентрацию дырок р5 необходимо рассматривать Л К '

как параметр, изменяющийся во времени. Отсутствие слагаемого "

Л2

понижает степень свободы системы, и поэтому в колебательной системе,

описываемой уравнением (3), степень свободы равна —.

Время спада релаксационного всплеска при колебаниях и сам процесс существования колебаний существенно зависит от темпа рекомбинации, определяемого избыточной концентрацией дырок и эффективным временем

Т , характеризующим темп рекомбинации, так как после эмиссии

электронов из контакта будут протекать два конкурирующих процесса: повторный захват электронов ПС и рекомбинация в приповерхностной слое.

Для оценки этого факта в уравнение (3) введено слагаемое Я(р$,т),

учитывающее, что часть электронов после их туннельного срыва с ПС и резкого увеличения тока термоэлектронной эмиссии, вызванного снижением ф , не захватывается на ПС, а рекомбинируют вблизи поверхности. Это приводит к увеличению времени заполнения ПС. Рекомбинацию в АК можно оценить исходя из следующих соображений. Во-первых, в активном контакте существует поверхностная рекомбинация (и в условиях квазиравновесия), обусловленная технологией изготовления образцов, зависящая от способа обработки поверхности полупроводника; и,во-вторых, рекомбинация в приповерхностном слое, обусловленная рекомбинацией электронов, туннелированных с ПС уровней, с накопленными дырками. Для оценки минимального значения Ар, влияющего на спад, примем, что все носители, собираемые с расстояния, равного диффузионной дайне рекомбинируют в приповерхностном слое. Оценки дают для Ар значения 5 10м ®5-1013 ай"3> что подтверждается на/ основе экспериментальных данных по величине дырочного тока насыщения.

Учет зависимостей процесса накопления и рекомбинации неосновных носителей в ОПЗ активного контакта позволил объяснить посредством анализа фазовых траекторий изменения заполнения ПС на

фазовой плоскости особенности токовых импульсов в МТОП - структурах. Установлено, что колебания тока, обусловленные неустойчивостью тока, определяются рекомбинационными и накопительными процессами. Учёт изменения заполнения ПС позволяет объяснить наличие на импульсных ВАХ структур 8 и N характеристик и петель гистерезиса. На основе развитой нами модели легко проследить процессы, приводящие к появлению Б, N характеристик и петли гистерезиса. Действительно, срыв электронов с ПС приводит к возрастанию тока через АК и к падению напряжения на нем, однако, после уменьшения ток некоторое время продолжает возрастать за счёт продолжающейся эмиссии электронов из металла через понизившийся потенциальный барьер в АК, что и приводит к появлению Б - характеристики на ВАХ МТОП - структуры.

После восстановления начального, соответствующего началу срыва электронов с ПС значения тока, ток некоторое время продолжает еще уменьшаться за счёт захвата электронов на ПС и их рекомбинации, это приводит к возникновению N - характеристики на ВАХ МТОП - структуры. Таким образом, на динамической ВАХ участок Б - типа замыкается участком N - типа, и возникает петля гистерезиса

Таким образом, колебания в структурах СРП возникают за счет наличия в системе быстрых и медленных процессов, причем процессы, происходящие в активном контакте структуры, можно описать уравнением колебательной системы с половинной степенью свободы.

Проведен анализ МТОП - структуры как полной динамической системы, показано, что в системе могут возникнуть разрывные колебания, время нарастания которых определяется некоторой эффективной индуктивностью Ь, а время спада - некоторой эффективной емкостью С, ширина импульсов определяется временем рекомбинации избыточных носителей в п - области, а время повторения - временем накопления дырок вблизи границы раздела окисел - полупроводник. Установлено, что эти процессы поддерживаются положительной обратной связью по току и напряжению, что позволило составить эквивалентную схему в виде отрицательного сопротивления с последовательно включенной индуктивностью и емкостью. На основе эквивалентной схемы составлены уравнения Кирхгофа в виде двух дифференциальных уравнений первого порядка, анализ системы уравнений, показывает, что в системе могут возникнуть колебания. Установлено, что время нарастания переднего фронта импульса Т! определяется некоторой эффективной индуктивностью, связанной с инерционностью установления туннельного тока из ПС и тока термоэлектронной эмиссии, длительность импульсов т2 определяется временем рекомбинации неравновесных электронов, время спада импульса т3 определяется некоторой эффективной емкостью, связанной с инерционностью процесса захвата электронов на ПС, интервал между импульсами т4 определяется процессами накопления дырок в ОПЗ активного контакта.

Полученные на основе решения дифференциальных уравнений оценки характеристик колебаний сопоставимы с экспериментальными данными. Проведены исследования N и 8 характеристик структур методом совмещения экспонент с последующим решением полученного дифференциального уравнения методом Рунге-Кутта. Полученные решения качественно соответствуют реально наблюдаемым колебаниям. Количественного совпадения с экспериментальными N и Б характеристиками добиться не удается, т.к. при анализе И- и Б- характеристики рассматривались отдельно, в то время как в структуре СРП обратные связи по току и напряжению «сосуществуют». В целом же все рассмотренные выше результаты теоретического анализа хорошо согласуются с экспериментальными данными и подтверждают разработанную электрическую модель неустойчивости тока, оценки временных характеристик колебаний, обусловленных неустойчивостью тока, совпадают с экспериментально наблюдаемыми их значениями.

В пятой главе «Использование неустойчивости тока для создания приборов функциональной электроники» приведены результаты исследования разработанных функциональных устройств и схем с их использованием. Рассмотрены характеристики, параметры, свойства и функциональные возможности СРП в сочетании с активными элементами и датчиками. Приведены результаты исследований возможности получения функциональных схем на основе двух и более структур СРП с различными активными контактами. Изложенные выше особенности электрофизических и фотоэлектрических характеристик исследуемых структур позволили создать ряд опытных образцов принципиально новых функциональных устройств.

Установлено, что важным преимуществом приборов, основанных на структурах с распределенным эмиттерным переходом, является исключительная простота устройств, широкие функциональные возможности, а также большая амплитуда импульсов тока через АК и колебаний потенциала р+-области, что обеспечивает непосредственное их согласование с типовыми приборами цифровой обработки информации.

Установлено, что эффект зависимости частоты колебаний от внешнего токозадакмцего резистора Кр_„, позволяет использовать приборы в системах контроля параметров технологических процессов позволяющие оперативно и эффективно преобразовать аналоговые изменения физических величин в частоту следования импульсов. Приведен пример использования структур совместно с тонкопленочными тензорезисторами, что позволило создать эффективный датчик давления с импульсным выходом.

Рассмотрены возможности применения структур в сочетании с фотодиодами, что позволило создать ряд оригинальных оптоэлекгронных приборов, выполняющих функции время-импульсного преобразования и логических операций над оптическими сигналами.

Показано, что приборы на основе структур с распределенным р+-п-

переходом являются многофункциональными полупроводниковыми приборами с несколькими каналами управления, один из которых гальванически развязан и представляют значительный интерес для функциональной микроэлектроники, оптоэлектроники, цифровой и вычислительной техники.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате теоретических и экспериментальных исследований образования неустойчивости тока в многослойных структурах с распределенным эмиттером обоснованы следующие положения и выводы.

1. Анализ опубликованных работ, посвященных исследованию неустойчивости тока в сложных многослойных структурах показывает, что наблюдаемую инжекционную неустойчивость можно объяснить процессами накопления неосновных носителей в области пространственного заряда.

2. Анализ ВАХ структур с различным типом активного контакта, позволил установить закономерности и различия структур. На ВАХ структур СРП наблюдаются участки отрицательного дифференциального сопротивления Б и N типа, причем наличие на ВАХ структуры характеристики Б типа является необходимым, но не достаточным условием существования колебаний. Инжекционная неустойчивость тока возникает лишь тогда, когда участок отрицательного дифференциального сопротивления «замыкается» участком отрицательной дифференциальной проводимости. Наличие на ВАХ СРП 55 и N характеристик обуславливает наличие положительной обратной связи по току и напряжению, охватывающей не менее двух источников изменения проводимости: распределенный р+-п -переход и активный контакт.

3. Теоретическое и экспериментальное исследования полного дифференциального сопротивления структур в динамическом режиме позволяет утверждать, что структуры с распределенным эмиттерным переходом являются многослойными структурами с накоплением заряда. Появление неустойчивости тока объясняется параметрическим изменением барьерных емкостей структуры, за счет периодического накопления дырок в локальном участке ОПЗ, площадь которого совпадает с площадью активного контакта структур.

4. Построена модель, учитывающая зависимость концентрации дырок в ОПЗ активного контакта от накопления и рекомбинации неосновных носителей заряда, а так же влияние неосновных носителей на изменение заполнения ПС. Анализ фазовых траекторий состояний системы показывает, что траектория движения изображающей точки имеет отрицательный наклон. Этот факт • является необходимым и достаточным условием возникновения колебаний в системе.

5. Представление структуры как динамической колебательной системы с одной степенью свободы базирующейся на учете особенностей протекания

электрофизических процессов позволило качественно объяснить электрофизические особенности МТОП-структуры и провести сравнительный анализ с экспериментальными данными.

6. Анализ электрофизических и фотоэлектрических свойств структур показывает широкие возможности их использования как активного элемента функциональной электроники, выполняющего разнообразные нелинейные функции и обладающего уникальными параметрами: малым временем отклика на воздействие (меньше 10*3 с); многофункциональностью; наличием двух каналов управления: током и напряжением эмиттера, с коэффициентом перекрытия по частоте импульсов К=106; наличием оптического, гальванически развязанного, канала управления с чувствительностью 108-И09 Гц/Вт. Эти свойства позволяют добиться хорошего согласования рассматриваемых элементов с цифровыми схемами обработки информации.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Муравский Б.С., Яманов И.Л., Рубцов Г.П., Григорьян Л.Р. Структура с распределенным р-n- переходом как элемент функциональной электроники. Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Труды Ш Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Таганрог. 1996. С. 118-119.

2. Muravskiy B.C., Grigorian L.R. Proceedings of International Semiconductor Device Research Symposium, USA Charlottesville, 1997, p. 233 -236.

3. Григорьян Л.P., Муравский Б.С. Математическая модель структур с распределенным р+-п-переходом. Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Труды Г/ Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Таганрог. 1997. С. 135.

4. Григорьян Л.Р., Муравский Б.С. Датчик давления для повышения экологической и технологической безопасности нефтегазовых трубопроводов. Экология, Культура, Образование. Материалы межрегиональной научно-практической конференции. Краснодар. 1997. С. 21-22.

5. Григорьян Л.Р. Муравский Б.С. Яманов И.Л. Электронные и оптоэлектронные приборы на основе транзисторных структур с распределенным эмитгерным р+-п-переходом. Труды международного форума по проблемам науки, техники и образования. Москва. 1997. Вып. 2. С. 48-50.

6. Григорьян Л.Р., Муравский Б.С. Моделирование неравновесных электрофизических процессов в структурах с распределенным р+-п-переходом. Моделирование неравновесных систем -98. Тезисы докладов Первого всероссийского семинарк. Красноярск. 1998. С. 53-54.

7. Григорьян Л.Р., Жужа М.А., Барышев М.Г. Функциональные приборы на основе транзисторных структур с распределенным эмиттерным р-n-переходом. Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Труды V Всероссийской научно-технической

конференции с международным участием. Таганрог. 1998. С. 156.

8. Григорьян Л.Р., Муравский Б.С., Куликов О.М. Фотоэлектрические характеристики транзисторных структур с распределенным эмиттерным переходом. Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Труды V Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Таганрог. 1998. С. 154.

9. Барышев М.Г., Бутенко С.Н., Жужа М.А., Григорьян JI.P., Черный В.Н. Моделирование работы транзисторной структуры на основе схемы замещения. Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Труды VI Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Таганрог. 1999. С. 107.

10. Муравский Б.С., Рубцов Г.П., Григорьян Л.Р., Куликов О.Н. Электрофизические и фотоэлектрические свойства транзисторных структур с распределенным эмиттером и функциональные приборы на их основе. Журнал Радиоэлектроника. №10.2000. http://jre.cplire.rU/win/oct00/2/text.html.

11. Муравский Б.С., Григорьян Л.Р., Рубцов Г.П., Черный В.Н. Перспективы использования рекомбинационной неустойчивости тока в функциональной электронике. Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Труды VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Таганрог. 2000. С. 69.

Подписано в печать 01.07.03. Бумага офсетная. Формат А5. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ № 93.

Отпечатано в ООО «Фирма «НСС» 350058, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 252.

12 3 4 7 х

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Григорьян, Леонтий Рустемович

Введение.

Глава 1. Неустойчивость тока в многослойных твердотельных структурах.

1.1 Динамические неоднородности электрического тока в неоднородных твердотельных структурах.

1.2 Условия возникновения неустойчивости тока в твердотельных щ структурах.

1.3 Поверхностно - барьерная и рекомбинационная неустойчивость тока.

1.4 Неустойчивость тока в твердотельных структурах с распределенным эмиттерным переходом.

Глава 2. Методика исследования неустойчивости тока в многослойных твердотельных структурах.

2.1 Элементы на основе многослойных структур с инжекционной неустойчивостью.

2.2 Изготовление элементов многослойных структур.

2.3 Методика исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств.v. v.

Глава 3. Экспериментальное исследование электрофизических и фотоэлектрических характеристик структур с распределенным эмиттерным переходом.

3.1 Статические и импульсные вольтамперные характеристики структур.

3.2 Фотоэлектрические свойства структур с распределенным эмиттерным переходом.

3.3 Температурные характеристики Туннелистора и Биспина.

3.4 Исследование полного дифференциального сопротивления структур с распределенным эмиттерным переходом от напряжения на активном контакте.

Глава 4. Феноменологическая модель процессов неустойчивости электрического тока в многослойных структурах.

4.1 Уравнения, описывающие неравновесные процессы в структуре с распределенным эмиттерным переходом.

4.2 Уравнение полной динамической системы для многослойных структур.

4.3 Анализ СРП структуры как полной динамической системы.

4.4 Численное решение динамических уравнений колебательной системы.

Глава 5. Использование неустойчивости тока для создания приборов функциональной электроники.

5.1 Функциональные приборы на основе структур с распределенным эмиттерным переходом

Введение диссертация по физике, на тему "Неустойчивость тока в многослойных структурах с активными энергетическими уровнями"

Широкое проникновение новейших достижений радиоэлектроники в технику обработки информации, системы автоматизации и робототехники является характерной чертой происходящего в обществе научно-технического прогресса. Поэтому понятен большой интерес к вопросам развития радиоэлектроники и ее влияния на развитие общества и государства [1-5].

Современная электроника, являясь основным средством обработки информации, развивается по двум главным направлениям: интегральной электроники или микроэлектроники, и функциональной электроники [6]. Основные тенденции развития микроэлектроники обусловлены идеологией больших и сверхбольших интегральных схем и осуществляются в направлении освоения субнаносекундных интервалов времени и субмикронных размеров компонентов сверхвысоких уровней интеграции. Эти достижения, реализующиеся на основе транзисторной схемо - и системотехники, используют классические методы схемной радиотехники, теории электрических цепей и основаны на принципе технологической интеграции статических неоднородностей - потенциальных барьеров, к которым относятся легированные разными примесями полупроводниковые области активных компонентов интегральных схем (диодов, транзисторов), металлические и диэлектрические участки кристалла [7-9].

Разработчики интегральных схем первого направления [6, 8] активно ищут способы преодоления "тирании количества", способы обхода технологических и физических барьеров. С этой целью разрабатываются вертикальные структуры, в которых стараются разместить максимум элементов в минимальном пространстве. Активные и пассивные элементы схемы размещаются в объеме, и интегральная схема становится трехмерной.

Эти явления являются физической основой функциональной электроники. Интеграция в функциональной электронике - параметрическая, интегрируются функции преобразования, что исключает схемотехнический принцип их формирования, а следовательно, компонентную и элементную их интеграцию. Физические процессы и явления, происходящие в твердом теле, используются для моделирования функций передачи и преобразования, определяемых алгоритмами обработки массивов информации [6, 10]. Другими словами, функциональная электроника основана не на схемной радиотехнике с использованием статических неоднородностей (потенциальных барьеров) и технологической интеграции, характеризующих интегральную электронику, а на физических принципах интеграции динамических неоднородностей (электрические и магнитные домены, магнитные вихри, волны деформации, зарядовые пакеты и др.), возникающих в процессе эксплуатации электронной системы. Известно большое количество динамических неоднородностей различной физической природы. Это ансамбли заряженных частиц и квазичастиц (зарядовые пакеты, флуксоны и т.п.), домены (электрические домены, цилиндрические магнитные домены и т.п.), динамические неоднородности волновой природы (поверхностные акустические волны, магнитные статические волны и т.п.). Одним из наиболее известных элементов функциональной электроники основанной на использовании динамической неоднородности является кристалл арсенида галлия, в котором возникают движущиеся домены, проявившиеся в возникновении неустойчивости тока (эффект Ганна) [11,12,13].

15]. Однако, неустойчивость тока наблюдались только при определенных внешних воздействиях, что ограничивало использование эффекта.

Дальнейшие исследования авторов [14, 15] были связаны с изучением физических процессов, приводящих к возникновению обнаруженной поверхностно-барьерной неустойчивости тока [16, 17]. Показано, что особенности процессов в таких структурах связаны с периодическим заполнением поверхностных состояний (ПС) в активном контакте [18-20]. Следует отметить, что в этих работах рассматривают твердотельные структуры только с металл-тунельно прозрачный окисел полупроводник - контактом, а как показали исследования [21], неустойчивость тока в структуре возникает и в том случае, если в качестве активного контакта использовать п+-р-диод, образующий с n-областью р+-п-перехода п+-р-п-транзистор.

В диссертационной работе изучаются твердотельные многослойные структуры отличающиеся: во-первых, сложной структурой коллекторного перехода, площадь которого на несколько порядков меньше площади эмиттерного, во-вторых, усилением тока с а>1 на коллекторном переходе, который далее будем называть активным контактом. В качестве активного контакта может выступать контакт металл-туннельно-прозрачный окисел полупроводник (МТОП-контакт) (Туннелистор) или локальный п+-р- переход (БИСПИН-структура). В исследуемых многослойных структурах протяженность эмиттерного перехода на несколько порядков больше его толщины и размеров активного контакта. Поэтому для отражения указанных геометрических особенностей введен термин распределенный эмиттерный переход.

Следует отметить, что, несмотря на проведенные ранее исследования характеристик многослойных структур с МТОП - контактом [22-24], электрофизические и фотоэлектрические процессы, определяющие их параметры и характеристики, выяснены только в самых общих чертах. Все особенности неустойчивости тока объяснялись периодическим опустошением б и заполнением поверхностных состояний. Кроме того было установлено, что на возникновение неустойчивости тока в МТОП структуре влияет накопление в базе неосновных носителей заряда [22, 23]. Динамика накопления носителей заряда и определяющие ее факторы ранее не исследовались.

Представление структуры как динамической колебательной системы проводилось упрощенно, не установлено необходимое условие появления неустойчивости тока (колебаний) в структуре. Детальное моделирование процессов приводящих к неустойчивости тока в структуре выполнялись также в упрощенном виде [24].

Сравнительный анализ общих закономерностей электрофизических свойств МТОП и Биспин структур ранее не проводился. При исследовании функциональных возможностей структур мало внимания уделялось проблемам, связанных с исследованием применения структур с активными и пассивными элементами.

Цель работы.

Задачи работы:

1. Провести измерение электрофизических и фотоэлектрических характеристик многослойных структур.

2. Построить эквивалентную схему многослойных транзисторных структур.

5. Провести сравнительный анализ свойств МТОП и Биспин структур.

7. Проанализировать возможность практического применения структур с распределенным эмиттером.

Научная новизна.

2. Впервые проведен сравнительный анализ вольтамперных, частотных, температурных, фотоэлектрических и вольтфарадных характеристик многослойных структур с различным типом активного контакта.

3. На основе расчета барьерной и дифференциальной емкости распределенного р+-п - перехода для обоих типов структур впервые продемонстрировано влияние процесса накопления неосновных носителей заряда на напряженность электрического поля в области пространственного заряда активного контакта.

4. Показано, что многослойные структуры с активным контактом являются динамической колебательной системой.

Практическая ценность.

2. Установлено, что в структуре с МТОП - контактом в режиме генерации, АК имеет сравнительно большую составляющую обратного тока ip=0,1-г0,8 мА, что обуславливает возможность работы структуры от одного источника питания.

3. Ток протекая ip по распределенному сопротивлению п — слоя создает на р+-п - переходе автоматическое прямое смещение, поэтому обратный ток АК Биспина очень мал, и для него требуются два источника питания: один - для нелинейного контакта, другой - для цепи р+-п - перехода, это обуславливает более высокую чувствительность к оптическому излучению Биспина, чем Туннелистора.

4. Исследованные структуры благодаря своим электрическим и фотоэлектрическим характеристикам являются перспективными активными элементами функциональной электроники обладающими следующими свойствами: малое время отклика на воздействие, многофункциональность, наличие трех каналов управления, широкий динамический диапазон, один из каналов гальванически развязан, выходные импульсы напряжения до 10 В обуславливают хорошее согласование с цифровыми схемами обработки информации.

На защиту выносятся следующие положения:

2. Наиболее существенной физической закономерностью, определяющей возникновение колебаний тока является зависимость напряженности электрического поля области пространственного заряда активного контакта от концентрации неосновных носителей заряда в базе структуры, обусловленная геометрией структуры.

4. Барьерная емкость р+-п - перехода исследуемых структур изменяется более 104 раз при изменении потенциала эмиттера на 1В в следствие периодического накопления заряда в локальном участке ОПЗ перехода, что дает основание считать многослойные структуры с распределенным эмиттером функциональными структурами с накоплением заряда.

5. Транзисторные слоистые структуры являются перспективными приборами функциональной электроники со следующими характеристиками:

2 6 частота генерации 10" -И0 Гц; чувствительность к оптическому излучению

8 9

10410" Гц/Вт; чувствительность по току 0,8-^4 Гц/мкА, по сопротивлению 0,1ч-1000 мкс/кОм, по емкости 0,1-И,5 мкс/пФ.

Апробация работы.

Основные результаты исследований опубликованы в 11 печатных статьях и тезисах докладов конференций. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: третья всероссийская научно -техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 1996); четвертая всероссийская научно - техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 1997); межрегиональная научно-практическая конференция «Экология Культура Образование» (Сочи, 1997); международный форум по проблемам науки, техники и образования (Москва, 1997); Semiconductor Devise Research Symposium (University of Virginia, 1997); пятая всероссийская научно - техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 1998); первый всероссийский семинар «Моделирование неравновесных систем - 98» (Красноярск, 1998); шестая всероссийская научно - техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 1999); седьмая всероссийская научно - техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморск, 2000).

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

выводы

1. На основе многослойных полупроводниковых структур можно построить генератор импульсных сигналов без использования дополнительных

2 6 активных элементов, с частотой / в пределах 10" -г 10 Гц. Преимущество генератора, построенного на основе этих структуры является предельная простота схемотехнической реализации и одновременно получение высоких технических характеристик. Равенство коэффициента нелинейности нулю, определяет большие перспективы применения многослойных структур СРП в генераторах пилообразного напряжения

2. Чувствительность структур к оптическому излучению при крутизне

8 9 ваттчастотной характеристики 10-10 Гц/Вт позволяет построить оригинальные оптоэлектронные устройства.

3. Структура с распределенным р+-п - переходом может выступать в качестве эффективного измерительного преобразователя «аналог - частота» в системах контроля технологическими процессами, имеющего следующие характеристики: 0,8-4 кГц/мкА (ток); 0,1-1000 мкс/кОм (сопротивление); 0,1-1,5 мкс/пф (емкость).

4. Введение в структуру дополнительных активных контактов позволяет существенно расширить функциональные возможности и реализовать самые разнообразные нелинейные функции: умножение, деление.

5. Функциональные устройства, построенные на основе СРП обладают следующими свойствами: многофункциональность, наличие трех каналов управления, широким динамическим диапазоном управления по каждому из каналов, наличие гальванически развязанного канала управления (оптический), хорошее согласование с цифровыми схемами обработки информации, малое время отклика на воздействие.

Заключение

2. Анализ ВАХ структур с различным типом активного контакта позволил установить закономерности и различия структур. На ВАХ структур СРП наблюдаются участки отрицательного сопротивления и отрицательной проводимости, причем наличие дифференциального отрицательного сопротивления является необходимым, но не достаточным условием существования колебаний. Инжекционная неустойчивость тока возникает лишь тогда, когда участок S - типа переходит в участок N - типа. Наличие на ВАХ СРП S и N характеристик обуславливает наличие положительной обратной связи по току и напряжению, охватывающей не менее двух источников изменения проводимости: распределенный р+-п - переход и активный контакт.

3. Теоретическое и экспериментальное исследования полного дифференциального сопротивления структур в динамическом режиме позволяет утверждать, что структуры с распределенным эмиттерным переходом являются многослойными структурами с накоплением заряда. Появление неустойчивости тока объясняется параметрическим изменением барьерных емкостей структуры за счет периодического накопления дырок в локальном участке ОПЗ, площадь которого совпадает с площадью активного контакта структур.

4. Построена модель, учитывающая зависимость концентрации дырок в

ОПЗ активного контакта от накопления и рекомбинации неосновных носителей

150 заряда, а так же влияние неосновных носителей на изменение заполнения ПС. Анализ фазовых траекторий состояний системы показывает, что траектория движения изображающей точки имеет отрицательный наклон. Этот факт является необходимым и достаточным условием возникновения колебаний в системе.

5. Представление структуры как динамической колебательной системы с одной степенью свободы позволило качественно объяснить электрофизические особенности МТОП-структуры и провести сравнительный анализ с экспериментальными данными.

6. Анализ электрофизических и фотоэлектрических свойств структур показывает широкие возможности их использования как активного элемента функциональной электроники, выполняющего разнообразные нелинейные функции и обладающего уникальными параметрами: малым временем отклика на воздействие (меньше 10"3 с); многофункциональностью; наличием двух каналов управления (током и напряжением эмиттера), с коэффициентом перекрытия по частоте импульсов К=106; наличием оптического, гальванически

О Q развязанного, канала управления с чувствительностью 10+10 Гц/Вт. Эти свойства позволяют добиться хорошего согласования рассматриваемых элементов с цифровыми схемами обработки информации.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Григорьян, Леонтий Рустемович, Краснодар

1. «Современные проблемы радиофизики и электроники». Юбил. сб. науч. тр. преподавателей и сотрудников каф. радиофизики и динамики электрон, систем // М-во общ. и проф. образования РФ. Яросл. гос. ун-т им. П. Г. Демидова.-Ярославль. 1998. С. 167.

2. К.А. Валиев «Микроэлектроника: достижения и пути развития». Москва. «Наука». 1986. С.7-8.

3. Дорфамн В.Ф. «Микроэлектроника: технологический подъем». М. Знание. 1989.

4. Проблемы современной радиотехники и электроники. Москва. Наука. 1987.

5. Ушаков В. Н. «Электротехника и электроника». М. Радио и связь. 1997. С. 327.

6. Щука А.А. «Фукциоальая электроника» Учеб. для студентов ВУЗов, обучающихся спец. "Микроэлектроника и полупроводниковые приборы". 1998.

7. Жребцов И.П. «Основы электроники» Энергоатомиздат. JI. 1989.

8. Волков В.М., Иваненько А.А., Лапий В.Ю. Микроэлектроника. Киев. Техника. 1983. С. 263.

9. Джонс, М.Х. Электроника практический курс / Пер. с англ. Е.В. Воронова, А.Л. Ларина.- М. Постмаркет. 1999. С. 527.

10. Материалы и компоненты функциональной электроники : Учеб. пособие / В.П. Афанасьев, Н.А. Ганенков, Н.С. Пщелко ; М-во образования РФ. С.-Петерб. гос. электротехн. ун-т "ЛЭТИ". 1999.

11. Левинштейн М.Е., Пожела Ю.К., Щур М.С. Эффект Ганна. М. Сов. Радио. 1975.12. «Арсенид галлия в микроэлектронике» М. Мир. 1988 г.

12. Хотдицв Ю.А., Лобарев А.С. «Основы радиоэлектроники» М. Агар, 1998 г.

13. Косман М.С., Муравский Б.С. // ФТТ. 1961. №3. С. 2504.152

14. Муравский B.C. // ФТТ. 1962. №4. С. 2485.

15. Муравский Б.С., Кузнецов В.И., Френзен Г.И., Черный В.Н. Исследование кинетики поверхностно барьерной неустойчивости. // ФТТ. 1972. Т6. №11. С. 2114-2122.

16. Муравский Б.С. Влияние излучения на параметры колебаний поверхностно-барьерного генератора. // ФТП. 1975. Т9. №6. С.1140-1142.

17. Муравский Б.С., Кузнецов В.И. Коэффициент передачи тока в структуре с барьером Шоттки. // Радиотехника и электроника. 1980. Т25. №5. С.1112-1114.

18. Муравский Б.С., Черный В.Н., Яманов И.Л., Потапов А.Н., Жужа М.А. Неравновесные электронные процессы в транзисторных структурах с туннельно-прозрачным окислом. // Микроэлектроника. 1989. Т18. №4. С.304-309.

19. Муравский Б.С., Яманов И.Л. Неравновесные электронные процессы в слоистых структурах с поверхностно барьерным переходом. // ФТП. 1987. Т21. №5.

20. Булгаков С.С., Кнаб О.Д., Лысенко А.П., БИСПИН новый прибор микроэлектроники. // Обзоры по электронной технике. 1990. Серия 2. Вып. 6. (1563) С.1-71.

21. Жужа М.А., Ильченко Т.П., Муравский Б.С., Рубцов Г.П., Неравновесная динамическая проводимость транзисторных структур металл-туннельно прозрачный окисел полупроводник в СВЧ-поле. // Микроэлектроника. 1995. Т24. Вып. 4. С.270-274.

22. Яманов И.JI. Неравновесные электронные процессы в транзисторных слоистых структурах с поверхностно барьерным переходом. Дис. канд. Физ. — мат. наук. Краснодар. 1989.

23. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. // Микроэлектроника. М. Высшая школа». 1987.

24. Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы. М. Радио и связь. 1989.

25. Балодис Ю.Н. Лутовинов С.И. Устройства функциональной электроники. 41. 42. ЛИЭС. Л. 1988.

26. Кравчеко А.Ф. Физические основы функциональной электроники

27. Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по группе специальностей "Электрон, техника, радиотехника и связь". 2000.

28. Белова И.В. Устройства функциональной электроники. Ульяновск, 1998. С. 144.

29. Каримов А.В. Многофункциональные арсенидогалливые тонкопереходные структуры. Ташкент. Фан. 1992.

30. Носов Ю.Р. Приборы с зарядовой связью. М. Знание. 1989.

31. Балякин И.А., Егоров Ю.М., Родзивилов В.А. Приборы с переносом заряда в радиотехнических устройствах обработки информации. М. Радио и связь. 1987. С. 176.

32. Захаров А.Л. // ЖЭТФ. 1960. 38. С. 565.

33. Алексеев М.Е., Сондаевский В.П. // Письма ЖЭТФ. 1969. 10. С. 31.

34. Алексеев М.Е., Варламов И.В., Полторацкий Э.А., Сондаевский В.П. // ФТП. 1969. 3. С. 1787.

35. Fukami Т., Homma К. // Japan J. Appl. Phys. 1963. 2. P. 535.

36. Бонч-Бруевич В.Л., Звягин И.П., Миронов А.Г. Доменная электрическая неустойчивость в полупроводниках. М. Наука. 1972.

37. Бонч-Бруевич В.Л. Физика полупроводников. М. 1990.

38. Федорченко A.M., Коцаренко Н.Я. Абсолютная и конвективная неустойчивость в плазме и твердых телах. М. Наука. 1981. С. 176.154

39. Леонов Е.И. // Зарубежная радиоэлектроника. 1971. №4. С. 55.

40. Кэррол Дж. СВЧ - генераторы на горячих электронах, М.: Мир, 1972.

41. Моделирование режима пролетного домена в субмикронных диодах Ганна. /У Микроэлектроника. 1995. Т. 24. №1. С. 30-33.

42. Денис В.И. введение в физику явлений переноса в сильных электрических полях. ИФП. Вильнюс. 1973.

43. Пожела Ю.К. Плазма и токовые неустойчивости в полупроводниках, М. Наука. 1977.

44. Владимиров В.В., Волков А.Ф., Мейликов Е.З. Плазма полупроводников. М. Атомиздат. 1979.46. «Плазменная неустойчивость и нелинейные явления в полупроводниках». Киев. Наук. Думка. 1984.

45. Капулевский Ю.А. «Градиентные явления в вырожденной электронно -дырочной плазме». Ташкент. 1992.

46. Муравский Б.С. Эффект сильного поля в приповерхностном слое слаболегированных германия и кремния. Диссертация на соискание учен, степени кандидата физ.-мат. Наук. JI. 1963.

47. Муравский Б.С. // Радиотехника и электроника. 1963. 8. С. 162.

48. Hayashi Т., Takao J. // JEEE Electron. Devises. 1971. 18. P. 70.

49. Qayyum A. and Waoding E.R. // Phys. Lett. 1972. A40. P. 247.

50. Qayyum A. and Waoding E.R. // Phys. Lett. 1972. A43. P. 533.

51. Simmony М/And Williams R//J. Appl. Phys. 1969. Vol. 40. P. 691.

52. Азимоходжаев X.E. // В кн. Тезисы докладов Всесоюзного совещания по диэлектрической электронике. Ташкент. Фан. 1973. С. 16.

53. Moore J.S., Penchia С.М., Holonjak N., Sirkis M.D. and Yamara T. // J. Appl. Phys. 1966. Vol. 37. P. 2009.

54. Kroger H., Wegener H.A. Bistable Impendance State in MIS Structures through Controlled Inversion // Appl. Phys. Letters. Vol. 23. №7. P. 397-399.

55. EI-Badry A., Simmons J.G. Experimental Studies of Switching in Metal -Semiinsulator- n -p+ Silicon Devices // Solid State Electron. 1.977. Vol. 20. №12. P. 963-966.

56. Yamamoto Т., Miromoto M. Thin MIS Structures-Si Negative Resistance Diodes//Appl. Phys. Letters. 1.972. Vol. 20. №8. P. 1.5-1.6.

57. Simmons J. G., EI-Badry A. Theory of Switching Phenomena in Metal-Semiconductor-n-p+-Silicon Devices // Solid State Electron. 1.977. Vol. 20. №12. P. 955-956.

58. Милне С.A. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках М. Мир. 1977.

59. Коварский В.Я., Шимко В.И. // ФТТ. 1965. Вып. С. 3106.

60. Меликян Э.Г. // ФТП. 1973. 7. С. 1022.

61. Меликян Э.Г., Бабаян Г.Г. // ФТП. 1973. 7. С. 1664.

62. Литовченко В.Г., Шаповал A.M. // ФТП. 1968. 2. С. 1330.

63. Литовченко В.Г., Шаповал A.M. // ФТП. 1969. 3. С. 297.

64. Астров Ю.А., Кастальский А.А. // ФТП. 1972. 5. С. 1573.

65. Извозчиков В.А., Косман М.С., Чернявский К.А. //ФТТ. 1965. 7. С. 1552.

66. Баев М.А. // ФТТ. 1964. 6. С. 3747.

67. Conrad R.W., Bebbs J.F Phys. Stat. Solid (a), 1970, 2, K101.

68. Муравский Б.С. Условия возникновения поверхностно- барьерной неустойчивости тока. // В кн. Плазма и неустойчивости в полупроводниках. Тезисы докладов на IV симпозиуме. Вильнюс. 1960. С. 149.

69. Муравский Б.С., Стриха В.И. В кн. Физические основы работы контакта металл - полупроводник с барьером Шоттки. Материалы конференции. Киев. 1975. С. 28.

70. Муравский Б.С. // ФТТ. 1965. №7. С. 334- 335.

71. Муравский Б.С. // В кн. Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки. Материалы конференции. Киев. 1975. С. 30.

72. Муравский Б.С.//ФТП. 1977. №11 С. 1010.156

73. Simmons J.G., Taylor G.W. Concepts Gain of Oxide-Semiconductor Interface and their Application to the TETRAN // Solid State Electron. 1986. Vol. 29. №3. P.287-303.

74. Chang G. Y., Wang J. C. On the Minority-Cauiers Quasi-Fermy Level in Metal-Oxide-Semiconductor Tunnel Structures // Solid State Electron. 1986. Vol. 29. №3. P. 339-353.

75. Phan H. K., Phu L. H., Binh P. H. Electron Surface Trapping Effects on the Switching of Metal-Insulator (Tunnel) -Si (n) -Si (p+) Devices // Solid State Electron. 1986. Vol. 29. №3. P. 273.

76. Kikuchi M. Japan. J. Appl. Phys., 1962. 1. P. 187.

77. Green V. A., Shewchun J. Current Multiplication in Metal-Insulator-Semiconductor Tunnel Diodes // Solid State Electron. 1974. Vol. 17. №3. P. 349-356.

78. Кокин А.А. Перезарядка поверхностных ловушечных состояний и неустойчивость тока в МОП-транзисторах. // Микроэлектроника 1991. Т. 206. Вып. 5. С. 424-434.

79. Румак Н.В. «Система кремний двуокись кремния в МОП — структуре». Минск. Наука и техника. 1998.

80. Усанов Д. А., Скрипаль А.В., Угрюмова Н.В. Возникновение отрицательного сопротивления в структурах на основе р-п в СВЧ поле. // ФТП, 1998. Т. 32. №11. С. 1399-1402.

81. Игнатьев А.С., Каминский В.Е., Копылов В.Б., Мокеров В.Г., Немцев Г.З., Шмелев С.С., Шубин B.C. // ФТП. 1992. №26. С. 1795.

82. Воронков Э.Н., Колобаев В.В. Токовая неустойчивость в тонких пленках теллурида кадмия. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 1997.157

83. Колобаев В.В. Возникновение генерационно рекомбинационной неустойчивости в тонкопленочных структурах. // ФТП. 1999. Т. 33. №4. С.423-424.

84. Кнаб О.Д., Фролов В.Д. Эффект фотостимулированной генерации колебаний тока в полупроводниковой структуре. // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 38. №5. С. 244-246.

85. Идлис Б.Г., Кнаб О.Д., Фролов В.Д. Инжекционная неустойчивость в полупроводниковых структурах с р-п переходом. // Доклады Академии наук СССР. 1989. Т. 308. №3. С. 601-605.

86. Токовая неустойчивость в транзисторных БИСПИН-структурах. С.С. Булгаков, М.Ю. Исаев, О.Д. Кнаб и др. // Электронная промышленность. 1990. №8. С. 15.

87. Применение БИСПИН-структур./ О.Д. Кнаб, С.С. Булкагов, В.И. Никишин и др. // Электронная промышленность, 1989. №9. С. 26-30.

88. Барышев М.Г., Ильченко Г.П., Черный В.Н. Исследование накоплениянеосновных носителей в структуре с распределенным р+-п- переходом. //

89. Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Труды158

90. Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Таганрог. 1997. С. 136.

91. Разработка фотоприемника с частотным выходным сигналом видимого и ИК диапазона для оптоэлектронных микропроцессорных устройств. Отчет по НИР./ Кубан. гос. ун-т (КубГУ), Рук. Муравский Б.С., № ГР 01.9.70 002929. Краснодар.

92. Остроумова Е. В., Рогачев А.А. Высокочастотные неустойчивости тока в кремниевом оже-транзисторе. // ФТП. 1999. Т. 33. №9. С. 1126.

93. Калганов В.Д., Милешкина Н.В., Остроумова Е.В. Туннельная эмиссия электронов в фотополевых детекторах и в оже-транзисторе в сверхсильных электрических полях. // ФТТ. 2003. Т. 37. Вып. 3. С. 372-377.

94. Берман Л.С. Емкостные методы исследования полупроводников. Л. Наука. 1972.

95. Муравский Б.С., Рубцов Г.П., Григорьян Л.Р., Куликов О.Н.

96. Электрофизические и фотоэлектрические свойства транзисторных структур сраспределенным эмиттером и функциональные приборы на их основе. Журнал159

97. Радиоэлектроника. №10. 2000. http://jre.cplire.rU/win/oct00/2/text.html.

98. Muravskiy B.C., Grigorian L.R. Proceedings of International Semiconductor Device Research Symposium, USA Charlottesville, 1997, p. 233 -236.

99. Григорьян Л.Р., Муравский Б.С. Моделирование неравновесных электрофизических процессов в структурах с распределенным р+-п-переходом. Моделирование неравновесных систем -98. Тезисы докладов Первого всероссийского семинара. Красноярск. 1998. С. 53-54.

100. Долуденко В.Г., Муравский Б.С. Туннельная эмиссия из несобственных поверхностных состояний типа Мауэ на границе раздела оксид полупроводник. //Поверхность. Физика, химия, механика. 1989. №12. С. 101105.

101. Ржанов А.В. Электронные процессы на поверхности полупроводника. М. Наука. 1971. С. 480.

102. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М. Наука. 1981. С. 568.

103. Пикус Т.Е. Основы теории полупроводниковых приборов. М. Наука. 1965. 448 С.

104. Туннельные явления в твердых телах. // Сб. статей. М. Мир. 1973. С.

105. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. М. Высшая школа. 1977. С.272.

106. Гаряинов С. А. Физические модели полупроводниковых приборов с отрицательным сопротивлением. М.: Радио и связь, 1997.- 275 е.,