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.

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, 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].

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 [14,.

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±рпереход (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.

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 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:

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 длительностьвременем рекомбинации с избыточными неравновесными электронами.

4. Барьерная емкость р±п — перехода исследуемых структур изменяется более 104 раз при изменении потенциала эмиттера на 1 В 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 Гцчувствительность к оптическому излучению.

8 9.

10 410″ Гц/Втчувствительность 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 научнотехническая 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.

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

.

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 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) — многофункциональностьюналичием 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.