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 приборовОтсутствуют, 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* Ю4 В 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 преобразователимагниторезисторы 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. «Применениегальваномагнитных 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." 280 664 (СССР). Чувствительный элемент. трехкомпонентного магнитометра— / Жебрюнайте В. П., Левитас И. С., Пожела Ю.К.1. -.Опубл. в Б. И,-, 1970, В 28.;
IIА.с. 304 594 (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.' 470 207 (СССР). Магниточувствительный элемент./ Жебрюнайте.В.П., Левитас.И.С., .Пожела Ю. К., Сталерайтис К. К-' -. Опубл. в Б .И.*, 1975, № 17.
13J А.с. 489 049 (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.
