Моделирование и исследование фоточувствительных полупроводниковых приборов с N-образными вольт-амперными характеристиками

Полупроводниковые структуры с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) обладают рядом уникальных свойств, стимулирующих поиск конструктивно-технологических и схемотехнических решений при разработке новых полупроводниковых приборов, функциональных и микроэлектронных устройств на их основе [1]. В последнее время весьма перспективным становится применение приборов с Nи S-образными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) различного уровня мощности в средствах телекоммуникаций, устройствах отображения и преобразования информации, нейроинформатики, слаботочной автоматики, логических микросхемах из-за значительного упрощения многих схемных решений, снижения массогабаритных показателей, повышения качества и надежности [1−3].

Вопросам разработки, моделирования и исследования приборов с ОДС посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Огромный вклад в развитие физики полупроводниковых приборов с ОДС внесли такие ученые, как Стафеев В. И., Лебедев А. А., Гаряинов С. А., Челноков В. Е., Кузьмин В. А., Евсеев Ю. А., Блихер А., Тейлор П., Герлах В, Еса-ки JI. В настоящее время практически решены основные вопросы теории известных приборов с ОДС, касающиеся физических процессов, приводящих к появлению участка отрицательного сопротивления на ВАХ, принципа действия, свойств основных типов приборов, а также их применения в различных узлах электронной техники. Тем не менее, появление полупроводниковых приборов с ОДС, основанных на принципиально новых физических явлениях, имеющих оригинальные структуры, вызывает значительный интерес у исследователей и производителей электронной аппаратуры.

Отличительной особенностью приборов с ОДС является наличие внутренней положительной обратной связи. В зависимости от ее вида полупроводниковые приборы делятся на два класса. К первому относятся приборы с.

S-образной ВАХ, устойчивые по току. Ко второму классу относятся приборы с N-образной ВАХ, устойчивые по напряжению. При этом, такие приборы принято считать дуальными. Дуальность Sи N-приборов проявляется в подобии их ВАХ и эквивалентных схем замещения. В связи с этим, они представляют собой класс приборов, обладающих одинаковыми свойствами, подчиняющихся одним и тем же принципам разработки, моделирования и исследования. Широкие перспективы применения, быстрое развитие теоретических основ и технологической базы позволило выделить полупроводниковые приборы с ОДС как отдельное, перспективное направление твердотельной электроники [1,2].

Развитие полупроводниковых приборов с ВАХ N и S-типа идет преимущественно по пути улучшения значений отдельных параметров, в частности, увеличения рабочих токов, увеличения быстродействия и мощности, снижения токов и напряжений в открытом состоянии, однако значительно меньшее внимание уделяется задачам разработки, моделирования и исследования слаботочных N-приборов. Последние исследования выявили перспективность применения таких приборов в качестве базовых элементов цифровой техники, в качестве элементов многоуровневой логики, памяти, микроэлементов автоматики [4−9]. Простота управления параметрами ВАХ таких приборов с помощью электрических полей и тока, наряду с высоким быстродействием и возможностью обработки биполярных сигналов, значительно расширяет их функциональные возможности и позволяет упростить многие схемотехнические решения. Массогабаритные показатели и функциональные свойства планарных негатронов малой и средней мощности также во многом определяют широкие перспективы их применения в качестве различных полевых и оптоэлектронных датчиков постоянного и переменного тока в цепях слаботочной автоматики и бытовой техники.

Таким образом, одной из актуальных на сегодняшний день задач физики и техники полупроводниковых приборов с ОДС N-типа, стоящих перед исследователями является разработка, моделирование и исследование физики работы новых планарных структур интегральных негатронов малой и средней мощности, а также приборов и устройств на их основе. Актуальны исследования фотои термочувствительности негатронов, с целью разработки микросистемных датчиков различного назначения, обладающими рядом уникальных свойств.

В целях повышения мощности приборов с ОДС было разработано множество вариантов биполярных и биполярно-полевых планарных негатронов, используемых для создания мощных низкои среднечастотных генераторов, твердотельных ограничителей тока, мощных комбинированных полупроводниковых приборов с защитой от пробоя, элементов защиты узлов электронной аппаратуры и электробытовой техники.

Среди приборов с ОДС N-типа наиболее распространенными являются туннельные диоды. В настоящее время туннельные диоды используются в основном в импульсных и усилительных схемах, а также в качестве маломощных автогенераторов синусоидальных колебаний. Однако, туннельные диоды обладают существенными недостатками, такими как сложность управления величиной ОДС, наличие вторичных положительных ветвей на ВАХ, отсутствие фоточувствительности, которые значительно снижают эффективность использования подобных приборов [2−3]. Поэтому на данном этапе актуальным является исследование микромощных негатронов, лишенных указанных недостатков, в том числе и фотоуправляемых, а также приборов с симметричными ВАХ.

В связи с изложенным, целью данной работы является разработка принципов работы, моделирование и исследование фоточувствительных полупроводниковых приборов с N-образными ВАХ малой мощности. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Анализ физико-топологического, математического и схемотехнического методов моделирования полупроводниковых приборов для оптимизации моделирования статических, динамических и температурных характеристик фоточувствительных приборов с N-образной ВАХ.

2. Моделирование и исследование статических и динамических характеристик фоточувствительных МДП-биполярных N-приборов с шунтированием эмиттерого перехода.

3. Моделирование и экспериментальное исследование статических, динамических и температурных характеристик биполярных N-приборов с шунтированием эмиттерного перехода и модуляцией тока базы.

4. Моделирование и экспериментальное исследование статических характеристик фоточувствительных комплементарных МДП-биполярных и биполярных приборов с N-образной ВАХ.

5. Моделирование и экспериментальное исследование выходных, переходных и температурных характеристик N-транзисторных оптронов.

Для решения вышеуказанных целей в первой главе проведен подробный сравнительный анализ основных типов и свойств полупроводниковых приборов с ОДС N-типа различного уровня мощности. Рассмотрены вопросы применения таких приборов в системах вычислительной техники. Вторая глава посвящена описанию методик моделирования и экспериментального исследования полупроводниковых приборов, проводится их оптимизация для моделирования статических и динамических характеристик фоточувствительных N-приборов в зависимости от мощности ИК излучения. В третьей главе приводятся результаты исследование фоточувствительных МДП-биполярных N-приборов. Результаты моделирования и исследования статических, динамических и температурных характеристик фоточувствительных биполярных N-приборов с управляемой ВАХ приводятся в четвертой главе. Пятая глава посвящена моделированию и исследованию фоточувствительных N-приборов, обладающих симметричной выходной ВАХ. Рассмотрены также N-транзисторные оптроны и позиционные датчики ИК излучения.

5.5 Выводы.

В результате проведенных исследований выявлена возможность получения симметричной выходной ВАХ на основе комплементарной схемы замещения, на основе которой разработаны два варианта N-приборов (четырехи двухэлектродный) с напряжением пика 1,1 В. В силу неравенства коэффициентов усиления в прямом и инверсном режимах изменение тока пика на положительной и отрицательной ветви в зависимости от мощности ИК излучения происходит неравномерно. На основе схем замещения биполярных негатронов с шунтированием эмиттерного перехода предложены четырехи трехтранзисторные варианты симметричных N-приборов со значениями напряжений пика порядка 0,4−0,6 В. В плане изготовления фоточувствительных N-приборов на их основе, четырехтранзисторный вариант имеет следующие преимущества: 1) Все транзисторы имеют одинаковую структуру и тип проводимости. 2) На основе данного устройства возможно построение координатного датчика ИК излучения, причем предпочтительно использовать двух-электродную реализацию схемы замещения, что упростило бы его изготовление. В таком случае анализ информации осуществлялся бы посредством измерения тока пика на положительной и отрицательной полуветви ВАХ.

Основное преимущество трехэлектродного биполярного фоточувствительного негатрона с симметричной выходной ВАХ по сравнению с аналогичными комплементарными N-приборами заключается в меньших линейных размерах и в более симметричной ВАХ, в то же время, в отличие от четырехэлектродного варианта для данного прибора требуется более жесткий контроль параметров шунтируемого транзистора Т1 при его изготовлении. В обоих типах негатронов возможен режим фотоуправления при отсутствии смещения на управляемых транзисторах, при котором в отсутствие ИК излучения на ВАХ приборов отсутствует N-участок, при росте мощности ИК излучения на ВАХ данных приборов формируется участок с ОДС N-типа.

На основе проведенного исследования фоточувствительности и спектров поглощения биполярных негатронов с модуляцией тока базы и шунтированием эмиттерного перехода предложен и исследован новый вид полупроводниковых приборов — N-транзисторные оптроны, в которых возможно реализовать режим управления выходным сигналом при одновременном воздействии оптического и электрического (в цепи базы) входных сигналов. В N-транзисторном оптроне на основе негатрона с шунтированием эмиттерного перехода возможно управление положением выходной ВАХ как в сторону увеличения, так и в сторону её снижения (вплоть до полного спрямления) при подаче входного электрического сигнала на различные ИК светодиоды. Напряжение максимума выходной ВАХ изменяется линейно в зависимости от мощности ИК излучения в диапазоне от 0 до 25 мВт для негатрона с модуляцией тока базы и 0 до 60 мВт для негатрона с шунтированием эмиттерного перехода. Очевидно, что данный вид оптронов включает в себя все преимущества N-приборов: встроенная защита выходного транзистора от перегрузок, широкие возможности применения в генераторных и цифровых электронных схемах [95−96].

Разработана модель позиционного микродатчика ИК излучения на основе двух фоточувствительных N-транзисторов, позволяющего определять положение луча в одной из четырех его областей с возможностью предоставления информации в цифровом виде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным итогом диссертации является решение задачи моделирования и экспериментального исследования статических и динамических характеристик полупроводниковых приборов и структур с N-образными ВАХ, в том числе в зависимости от ИК излучения и температуры, имеющей значение для физики и техники полупроводников.

В ходе проведения разработок и исследований по теме диссертации получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Разработанные схемотехнические, физико-топологические модели для расчета статических и динамических ВАХ фоточувствительных N-приборов на основе биполярных и МДП-биполярных транзисторов с шунтирующим и модуляционным механизмом образования участка ОДС имеют качественное и количественное согласование с результатами экспериментального исследования в пределах погрешностей. Разработана математическая модель влияния мощности ИК излучения на величину ОДС биполярного негатрона.

2. Проведен математический расчет, схемотехническое моделирование и экспериментальное исследование фоточувствительного МДП-биполярного N-прибора малой мощности с напряжением максимума N-участка на выходной ВАХ порядка 0,6−1,5 В. При воздействии на данный прибор ИК излучением выявлена возможность управления его ВАХ как в сторону увеличения тока максимума, так и в сторону его уменьшения, в зависимости от того, какой из транзисторов (шунтирующий или шунтируемый) подвергался воздействию лучей. При облучении шунтирующего МДП транзистора наблюдается снижение тока и напряжения максимума.

3. Разработан фоточувствительный биполярный N-прибор, с шунтированием эмиттерного перехода, в котором напряжение тока максимума выходной ВАХ не превышает 0,6 В, в котором при воздействии на него ИК излучением можно добиться полного спрямления N-участка на выходной ВАХ. Время перехода прибора из одного бистабильного состояния в другое, в результате воздействия оптического или электрического сигналов не превышает 50 не. Напряжение и ток пика изменяется практически линейно в диапазоне мощностей ИК излучения от 0 до 40 мВт. К недостаткам данного негатрона следует отнести наличие паразитной вторичной ветви на выходной ВАХ. На основе построенных схемотехнических и физико-топологических моделей указанных биполярных приборов проведен термический анализ, выявивший увеличение тока максимума выходной ВАХ при росте температуры кристалла. Зависимость тока пика данных приборов имеет практически линейный характер, что открывает возможность из применения в качестве интегральных термодатчиков со встроенной защитой от пробоя. Выявлена возможность полного спрямления участка ОДС разработанного биполярного негатрона с модуляцией тока базы при снижении температуры до 0 °C. Результаты моделирования качественно согласуются с экспериментальными данными.

4. Проведено исследование комплементарных биполярно-полевых фоточувствительных N-приборов, состоящих из транзисторов с одинаковым и разным типом проводимости, обладающих симметричной выходной ВАХ, и напряжениями пика не превышающих 1 В. Исследование влияние ИК излучения на работу указанных приборов показало их не конкурентоспособность по сравнению с аналогичными биполярными четырех и трех транзисторными симметричными негатронами (напряжение пика которых не превышает 0,6В) в плане себестоимости, сложности их производства, а также фотои электроуправляемости.

5. На основе исследованных биполярных N-приборов разработан новый вид полупроводниковых приборов — N-транзисторные оптроны, в которых возможно управление выходной ВАХ как в сторону увеличения токов максимума к и в сторону его снижения.

6. Предложена модель координатного микро датчика ИК излучения, который позволяет определять положение луча в одной из его четырех фоточувствительных частей. Данный датчик может найти применение с устройствах микросистемной цифровой техники.

Дальнейшие исследования по теме диссертации могут быть направлены на проведение более детального (трехмерного) анализа физических процессов и механизмов формирования участка ОДС N-типа, на реализацию новых и оптимизацию известных интегральных структур, на расширение их функциональных возможностей.