Особенности дрейфа электронно-дырочной плазмы в твердотельных магниточувствительных элементах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЩЕНИЕ

Глава I. ДРЕЙБ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОЙ ПЛАЗМЫ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ ПРИ НАЛИЧИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ .II

I.IV Свойства электронно-дырочной плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях

1,2^ Твердотельные магниточувствительные приборы, основанные на законах движения свободных носителей заряда в магнитном поле

Глава 2| ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОЙ ПЛАЗМЫ В СКРЕЩЕННЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ

2.1^ Основные соотношения

2.2, Уравнение непрерывности и граничные условия ••.•.•.•••••.•.

2«3; Распределение концентрации плазмы электронов и дырок в образце

2.4^ Изменение электропроводности твердого тела в скрещенных электрическом и магнитном полях .•.•••••••••.•.•.

Глава 3? НЕРАВНОВЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПРИМЕСНОГО

ТВЕРДОГО ТЕЛА В СКРЕЩЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И

МАГНИТНОМ ПОЛЯХ.;*

3vT. Образцы и методика измерений •.••.•

3 j&y Изменение проводимости примесного германия в скрещенных электрическом и магнитном полях v.

3.3. Измерения поверхностных электрофизических параметров твердого тела

Глава 4, ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА

СВОЙСТВАХ ЭЯЕЖРОННО-ДЫРОЧНОЙ ПЛАЗМЫ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ .-1.

4у1. Магниточувствительные ШР-резисторы

4.2 у Полевые магндтотранзисторы.

Актуальность темы.

Исследования электрических свойств твердого тела, в частности, влияния магнитного поля на эти свойства относятся к числу из наиболее распространенных в общем комплексе исследований свойств твердого тела.

Отдельное место среди них занимают исследования электрических свойств плазмы носителей заряда в твердом теле [1-3] , Задачи этих исследований весьма обширны, как и обширны области применения результатов исследования. Одним из важных аспектов этих исследований является поиск таких экспериментальных условий, при которых измеряемые электрические величины, связанные с параметрами плазмы, были бы наиболее чувствительными воздействию на твердотельный образец внешним магнитным полем. Такие физические исследования непосредственно направлены на создание твердотельных магниточувствительных цриборов, а также на разработку высокочувствительных методов определения электрофизических параметров твердого тела. В результате проведения многочисленных исследований в этой области наиболее перспективным, с точки зрения применения, оказалось явление, сущность которого заключается в аюм, что цри помещении образца в поперечное магнитное поле и наличии дрейфа электронов и дырок в цродольном электрическом поле, концентрация квазиравновесной электронно-дырочной плазмы сущентвенно изменяет свое пространственное распределение в направлении действия магнитной составляющей силы Лоренца, В результате, если условия рекомбинации и генерации плазмы на поверхностях образца, перпендикулярных направлению этой составляющей, сильно отличаются, средняя концентрация плазмы в образце в магнитном поле существенно изменяется. Это приводит к значительному изменению сопротивления образца: в области слабых магнитных полей изменение сопротивления образца за счет изменения концентрации плазмы может на несколько порядков превышать изменение сопротивления за счет изменения подвижности носителей заряда, В последнее десятилетие за рубежом и в нашей стране разработаны (при личном участии автора настоящей работы) твердотельные магниточувствительные приборы, чувствительность которых к индукции магнитного поля намного превышает чувствительность твердотельных приборов, принпиц работы которых основан на других эффектах (Холла, магнитосопротивления поперечного и др.).

Другой областью применения результатов исследования свойств электронно-дырочной плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях являются методы измерения параметров твердого тела, определяющих его электрические и фотоэлектрические свойства. В настоящее время известны методы определения таких важных параметров твердого тела, как время жизни электронно-дырочных пар, скорости поверхностной рекомбинации, коэффициента биполярной диффузии и других,

В общем случае закономерности поведения плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях определяются многими параметрами твердого тела, а также геометрией образца» Поэтому исследования этих закономерностей, определение роли каждого параметра в отдельности, являются весьма сложными. К этому приводит и то обстоятельство, что многие физические параметры твердого тела сами зависят от концентрации плазмы, а поскольку пространственное раапределение концентрации плазмы принципиально неоднородно, то учет этих зависимостей является крайне затруднительным. Наибольшее число работ в этой области посвящено исследованию свойств плазмы твердого тела с собственной концентрацией носителей заряда. Это объясняется тем, что в этом случае математическое описание явлений является наиболее простым, а в экспериментальном плане тем, что, принимая соответствующие меры, можно исключить из рассмотрения целый ряд побочных явлений, таких как продольный дрейф электронно-дырочной плазмы, зависимость коэффициента диффузии от концентрации плазмы и ряда других. Намного меньшее число работ посвящено исследованию свойств плазмы в твердом теле при наличии легирующей примеси. В большинстве этих работ исследованы особенности дрейфа плазмы в антимонзаде индия при низких температурах. Однако в практическом плане в настоящее время наибольший интерес представляют исследования свойств электронно-дырочной плазмы в германии. Большие времена жизни электронов и дырок, высокие подвижности как электронов, так и дырок, обуславливают наибольшую магниточувствительность приборов на его основе. Однако работы по комплексному исследованию процессов, происходящих в плазме, дрейфующей в образцах с размерами, близкими или тождественными размерам твердотельных магниточувствитель-ных приборов; Отсутствуют, что в значительной мере затрудняет разработку тех или других модификаций приборов, приводит к эмпирическому подходу в разработке технологии приборов с оптимальным набором метрологических характеристик. Так, не исследовано влияние легирования на изменение проводимости германиевых образцов, влияние на нее продольного электрического дрейфа плазмы и ряд других факторов, в значительной мере определяющих характеристики реальных приборов. С научной точки зрения, проведение таких исследований важно для всей физики гальваномагнитных явлений, так как изменение концентрации носителей заряда существенно изменяет закономерности эффекта Холла, поперечного магнитосопротивле-ния и других эффектов. Из сказанного следует, что исследование особенностей дрейфа электронно-дырочной плазмы в твердотельных магниточувствительных элементах является актуальной задачей.

Цель работы

1. Определение и объяснение закономерностей дрейфа твердотельной электронно-дырочной плазмы в магнитном поле в условиях, приближенных к условиям протекания процессов в твердотельных магниточувствительных приборах.

2. Усовершенствование методов измерения поверхностных параметров (в частности-скорости поверхностной рекомбинации) твердого тела на основе изменения проводимости в магнитном поле. з. Определение принципов проектирования магниточувствительных приборов, использующих свойства электронно-дырочной плазмы в магнитном поле.

Общая методика исследования

В основу теоретического исследования дрейфа электронно-дырочной плазмы в магнитном поле положено решение уравнения непрерывности с граничными условиями рекомбинационного стока на поверхностях и анализ решений этого уравнения (распределение концентраций плазмы и связанное с ним изменение электропроводности) , полученных в разных приближениях относительно напряженности электрического и индукции магнитного полей, степени легирования твердого тела и условий рекомбинации на поверхностях. Экспериментальное исследование свойств электронно-дырочной плазмы основано на изучении электропроводности германия с различными градациями легирования и размеров образцов.

Научная новизна

Теоретически и экспериментально изучены закономерности дрейфа твердотельной электронно-дырочной плазмы в однородном магнитном поле в условиях, приближенных к условиям протекания процессов в твердотельных магниточувствительных приборах.

Получены теоретические результаты, предсказывающие поведение концентрации неосновных носителей заряда от степени легирования твердого тела для широкого диапазона значений индукции магнитного поля и напряженности электрического. Показано, что концентрация неосновных носителей заряда более чувствительна к величине магнитной составляющей силы Лоренца в примесном кристалле , чем концентрация электронно-дырочных пар в случае собственной проводимости. Определена зависимость характерных длин спада концентрации плазмы, описывающих пространственное распределение концентрации, от равновесных концентраций электронов и дырок.

Получена теоретическая зависимость относительного изменения проводимости твердотельного образца от магнитного поля в области слабых классических полей, включающая взаимодействие диффузионных токов с магнитным полем при любом соотношении концентраций равновесных электронов и дырок.

Показано, что в образцах малых размеров существенную роль приобретает продольный дрейф электронно-дырочной плазмы.- Получена соответствующие теоретические соотношения и экспериментальные доказательства;

Определены и объяснены закономерности поведения неравновесно®! проводимости в магнитном поле при различной степени легирования твердого тела.

На основе результатов исследования разработаны методы измерения поверхностных параметров твердого тела.

Практическая ценность

На основе подготовленных рекомендаций разработаны новые твердотельные магниточувствительные приборы - полевые магнитотраязисторы и магниточувствительные резисторы. Одна из модификаций магниточувствительных резисторов ЗЖГО-4 использована в серийно выпускаемом миллитесламетре Щ 4356,'

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 113 наименований, а также приложения, содержит 135 страниц текста, 24 иллюстрации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Резюмируя результаты проведенных исследований можно заключить, что в твердотельных магниточувствительных элементах, т.е. в твердотельных образцах, параметры которых близки к таковым в магниточувствительных приборах, дрейф электронно-дырочной плазмы в скрещенных однородном магнитном и электрическом полях обладает рядом особенностей, на которые ранее обращалось мало внимания. Эти особенности существенно проявляются в одной из основных характеристик образцов - их электропроводности в совместно действующих электрическом и магнитном полях. На основании результатов исследований можно сделать следующие выводы:

1. Сформулирована двумерная задача о распределении концентрации ЭДП в скрещенных электрическом и магнитном полях при наличии примесной проводимости ( п0 ф р0 ).

2. Теоретически и экспериментально выявлены особенности дрейфа ЭДП в магнитном поле в твердотельных магниточувствительных элементах (кристаллах с размерами, соизмеримыми с длиной биполярной диффузии). Показано, что в кристаллах с проводимостью, лишь близкой к собственной, ЭДП одновременно смещается в направлениях м.с. силы Лоренца и электрического поля. Это по сравнению со случаем собственной проводимости приводит к качественно другим зависимостям относительно изменения проводимости от напряженности электрического и индукции магнитного полей, рекомбинационных параметров, размеров кристалла. Так, в германиевых кристаллах с удельным сопротивлением 0,4 Ом.м при Т = 300 К величина относительного изменения проводимости в коротких образцах (близких к диффузионной длине) при малых значениях индукции магнитного и напряженности электрического полей (порядка 0,01 Т и 4-Ю3 В .м ) в несколько раз меньше чем в длинных. В исследованном диапазоне полей (напряженностью электрического до 4* Ю4В индукции магнитного до 0,25 Т) при одном и том же значении силы Лоренца величина относительного изменения проводимости образца одной и той же длины при малых значениях напряженности электрического поля несколько раз больше чем при больших его значениях.

3. Результаты измерения электропроводности образца в магнитном поле позволяют определять значение скорости поверхностной рекомбинации на грани образца, если соблюдены ограничения на значения напряженности электрического и индукции магнитного полей и размеры образца. Эти измерения можно проводить одновременно с эффектом поля и следовательно получить информацию о спектре энергетических уровней на поверхности и их параметрах.

4. Определена зависимость относительного изменения проводимости от линейных размеров ГМР резистора, величины тока питания резистора, а также от напряженностей электрического и индукции магнитного полей в приближении эффективного времени жизни, обеспечивающая возможность инженерного проектирования магниточувствительных резисторов с заданными свойствами. Эти зависимости позволяют определять экстремальные значения метрологических параметров, а также их оптимальные совокупности для решения соответствующих задач.

5. Разработаны магниточувствительные преобразователи -магниторезисторы и магнитотранзисторы, обладающие чувствительностью не менее 50 мВ/мТ.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Жебрюнаите В.П., Пожела Ю.К., Сащук А.П., Сталерайтис К.К.1 Поведеше концентрации электронно-дырочных пар в примесном полупроводнике при наличии скрещенных электрического и маг. ндтного полей.- Лит. физ. сб., 1981, т. 21, № 3, с. 33-44.

2.^ Жебрюнаите В.П., Сталерайтис К.К, Определение скорости поверхностной рекомбинации на основе IMP эффекта. - Известия ВУЗов ЛитССР, сер. Радиоэлектроника, 1982, т. 18, № 3, с. 68-72.

3. Жебрюнаите В.П., Манюшите В,И., Сталерайтис К.К., Янавичене Н.Ю. Передаточные характеристики полевых магнитотранзисто-ров. - Известия ВУЗов ЛитССР, сер. Радиоэлектроника, 1982, т. 18, гё I, е.83-87.

4; Жебрюнайте.В.П., Манюшите В.И., Микалауекайте Ы.Ю., Сталерайтис К.К. К теоретической модели полевых магнитотранзисто-ров. - Известия ВУЗов ЛитССР, сер. Радиоэлектроника, 1983, т. 19, № 2, с. 128-131. . . , . . .

5.' Жебрюнаите В.П., Левитас И.С., Пожела Ю.К., Сталерайтис К.К. Полевой гальваномагниторекомбинационный эффект. - Лит. физ. сб., 1973, т.13, № I, с.III-II7, . ,

6.; Рагаускас А.В., Левитас И.С., Жебрюнаите В.П. Малосигнальная модель полевого гальваномагниторекомбинационного датчика. - Известия ВУЗов ЛитССР сер. Радиоэлектроника, 1973, т.- 9, В I, с. 120-125,

7. Жебрюнаите В.П., Левитас И.С., Пожела Ю.К. Гальваномагнито-рекомбинациояные датчики и их.некоторые применения. - Тезисы докладов Республиканской конф. "Применение ^гальваномагнитных эффектов в приборостроении",.Тбилиси, 1971, с. 5,!

8. Жебрюнайте В.П., Левитас И,С., Рагаускас А.В., Сталерайтис К.К.^ К теоретической модели полевого гальваномагниторекомбинадионного эффекта. - Лит. физ. сб., 1976, т. 16, Л 6; . с. 855-863. .

9.! Жебрюнайте В.П., Машошите В.И., Сталерайтис. К.К. Принципы оптимизации линейных размеров ГМР элементов. . - Известия ВУЗов ЛитССР, сер. Радиоэлектроника, 1983, т. 19, № 2, , с. 135-140.

10^ А.с." 280664 (СССР). Чувствительный элемент. трехкомпонентного магнитометра;- / Жебрюнайте В.П., Левитас И.С., Пожела Ю.К.1 . -.Опубл. в Б.И,;, 1970, В 28.;

IIА.с. 304594 (СССР). Множительное устройство. / Жебрюнайте . В.П.,,Левитас И.С., Могильницкий Л.М.; Пожела Ю.К. - Опубл. . в.Б.И,, 1971, Ш 5,.

12, А.с.' 470207 (СССР). Магниточувствительный элемент./ Жебрюнайте.В.П., Левитас.И.С., .Пожела Ю.К., Сталерайтис К.К;' -. Опубл. в Б .И.*, 1975, № 17.

13J А.с. 489049 (СССР), Способ измерения скорости-поверхностной рекшбинации. / Жебрюнайте В .П., .Левитас И.С., Сталерайтис . К.К., Пожела. Ю.К,- - Опубл. в Б.И., 1975, № 30.

I4.j Жебрюнайте В.П., Будрюнайте Н.Б., Левитас И.О.",- Сталерайтис К.К., Рагаускас А.В. Метод исследования поверхностных свойств полупроводников на основе полевого гальваномагниторекомбша-ционного эффекта. - 1-ое Совещание по вопросам исследования гальваномагниторекомбинадионного эффекта и его использования, Вильнюс, 1976, с. 9-10.

1. Glicksman M. Plasma in Solids. - Sol. St. Phys., 1971, v. 26, p. 275-427.2.- Владимиров В .В. Пинч-эффект в плазме твердого тела. УФН, 1975, т. 117, с.1 79-118.

2. Пожела Ю.К; Плазма и токовые неустойчивости в полупровод. никах. М.: Наука, 1977. - 368 с.

3. Landauer R., Swanson J. Diffusion currents in the semiconductor Hall effect. Phys. Rev., 1953, v. 91, p. 555-560.

4. Hunter L.P., Huibregtse E.J., Anderson R.L. Current carrier lifetimes deduced from Hall coefficient and resistivity measurements. Phys. Rev., 1953, v. 91, p. 1315-1320.

5. Weischar E. Magnetische Sperrschichten in Germanium: II. Zs. P. ITaiurforsch., 1955, 10a, s. 488-495*

6. Madelung 0. Die galvanomagnetischen Effekte in Halblei-tern. Naturwiss., 1955, 14, s. 406-410.

7. Madelung 0., Tewordt L., V/elker H. Zur Theorie der magne-tischen Sperrschicht in Halbleitern. Sz. P. Naturf orsch., 1955, 10a, s. 476-488.

8. Иванов-Омский В.И., Коломиец Б.Г., Смирнов В.А. Спектр электро-магнито люминесценции в InSb . ЖЭ®, Письма в редакцию, 1966, т. 3, вып. 7, с. 287-291.24.; Добровольский В.Н. Приповерхнев! магн1токонцентрап1йн1 ефекти. УФЖ, 1966, II, с. 836-844.

9. Добровольский В.Н., Нинидзе Г.К. МагАоемкостной эффект -ФТП, 1967, в. 2, с. 291-292.;26;' Добровольский В.М.:, Жарких Ю.С.' До сложения магнатопольо-вого эффекту,' ШЖ, 1967, т.; 12, J6 6, с. 930-937.

10. Левитас И.С.;, Пожела Ю.К. Исследование гальваномагниторе-комбинационного эффекта в германии.- Liet. fiz. rink., 1967, То 7, В 7, с. 387-395.

11. Lile D.L. Effect of Surface Recombination of the Transverse Magnetoresistance of Thin InSb Layers. J. Appl. Phys., 1970, 41, p. 3480-3490.

12. Kamarinos G., Chovet A. Effect de magnetoresistance anormale-Application au calcul des vitesses de recombinaisonan surface. C.R. Acad. Sci. Paris, 1970, 270B, p. 11631166.

13. Гасанов I.e., Коварский Б.Я., Кружанов Ю.В., Стафеев В.И. Полевой магнитоинжекционный эффект. Письма в ЖЭТШ,1970, т. 15, с. 253-256.

14. Chovet A. Choix des lois de recomMnaison des porteurs an volume et an surface d'agres le compertement de la magnetoconcentration dans un semisronducteur intrinseque.- C.R. Acad. Sci. Paris, 1974, 279B, p. 29-32.

15. Левитас И.О., Пожела Ю.К., Сащук А.П. Исследование кинетики гальваномагниторекомбинационного эффекта.' ФТП,1972, т.6, вып. I, с. 205-207.

16. Chovet A. Etude de 1'influence des surfaces dans un semi-conduct eur par magnetoconcentration et injection de porteurs. These Docteur-Ingen&eur. - VSM Grenoble, 1972,- 115.

17. Левитас И.С;, Пожела Ю.К., Сталерайтис К.К., Жебрюнайте В.П.

18. Кравченко А.Ф., Морозов Б.В.;, Окок Э.М. Магнитоконцентра-ционный размерный эффект в аятимониде индия. ФТП, 1974, т.! 8, в. 10, с. 2035-2038.•

19. Алмазов Л.А., Линтуга А.И., Малютенко В.К. Обогащение поверхности inSb свободными носителями в скрещенных электрическом и магнитном полях. ФТП, 1979, т. 13, в. 5, с. 52-58.

20. Полупроводниковые преобразователи. Серия "Электроны в полу-проводниках"/Денис В., Левитас И., Матуленис А.', Паужа А. , Пожела Ю., Скучас И., Стшгерайтис К., Шимулите Е., Юцене В./ под ред. Ю. Пожела. Вильнюс: Мокслас, 1980, с. 176;1

21. Малютенко B.K., Гута К.Ю., Малозовский Ю.М.- Магнитоконцен-традионный эффект в полупроводниках с несобственной проводимостью; 1981, 15, с. 250-257.

22. Пожела Ю.К., Сталррайтис К.К. Влияние неоднорродной силы Лоренца на концентрацию электронно-дырочной плазмы; Лит; физ.сб., 1980, т. 20, в. 6, с. 65-73.

23. ТJanaviciene П., bevitas I., Pozela J., Stalioraitis К. Semiconductor Device Sensitive to Magnetic Field Gradient.- Sol. St. El., 1981, v. 24, p. 407-4Ю.72.'ТРывкин C.M. Фотоэлектрические явления в полупроводниках.- М;: Физматгиз, 1963. 496 с.

24. Браттен В.Г.;, Бардин Дж'. Поверхностные свойства германия.- В сб. статей "Проблемы физики полупроводников" под ред; Бонч-Бруевича. М.: ИЛ, 1957, с. 23?-268.

25. Garret G., Brattain W. Physical Theory of Semiconductor

26. Kobus A., Tuszynski J. Hallotrony i Gaussotrony. Warsza-wa: WNTj 1966. - 352 s.93.' Weiss H. Physic und Anwendung Galvanomagnetischer Bau-elemente. Bzaunschweig: Pried. Vieweg und Sohn, 1969,- 380 s.

27. Котенко Г.И." Магниторезисторы. М.: Энергия, 1971. - 80 с.'99.' Котенко Г.И.: Гальваномагнитные преобразователи ж их применение; 1.: Энергоиздат, 1982. - 102 с.

28. Стафеев В.И. Модуляция длины диффузионного смещения, как новый принцип действия полупроводниковых приборов,- ФТТ, 1959, т. I, с. 841-845;'

29. ЮГ.! Стафеев В.И., Каракушан Э.И.: Магнитодиоды.' М»": Наука, 1975. - 75 с.102 .5 Викулин П.М. , Стафеев В .И. Полупроводниковые датчики;' -MV: Советское радио, 1975. 104 с.

30. А;с.: 304594 (СССР). Множительное устройство./Жебрюнайте В.П., Левитас И.С., Пожела Ю.К., Могильшщкий Л.М.! -Опубл.' в 1971, № 5.

31. Харшиладзе Н.Шу, Мошкин В.И., Каракушан Э.й., Мурыгин В.И.Т Влияние свойств границы раздела Si-Si02 на магнито- и фотоэлектрические характеристики p^-i(p)-rr структур".1- Электр, техн. сер. 2. Полупроводниковые приборы, 1982, т. 158, в. 7, с. 20-26.'

32. НО.' Павлов Л.П. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов; М.: Высшая школа, 1975. -206 с.

33. Лукьянчикова Н.Б., Гарбар Н.П., Сащук А.П., Жебрюнаите В.П. Флуктуационные процессы в германиевых, гальвано-магниторекомбинационных элементах. Лит. физ. сб., 1981, т. 21, В I, с. 89-97.