С появлением сканирующей туннельной микроскопии и спинтдовских катодов стала заметной тенденция возрастания интереса к микрои наноэлектронным структурам, создаваемым на основе полевых эмиттеров. Несмотря на то, что полевая эмиссия электронов известна науке значительно раньше открытия транзисторного эффекта, ее широкому практическому применению препятствовала чрезвычайно низкая стабильность эмиссионного тока, обусловленная высоким уровнем низкочастотных флуктуаций. В течение продолжительного времени повышение стабильности полевых эмиттеров связывалось исключительно только со снижением уровня фликкерных флуктуаций за счет подбора оптимальных материалов и технологических процессов изготовления эмиттеров и обработки их поверхности. Хотя в данном направлении и отмечено достижение определенных успехов, полевые эмиссионные приборы так и не смогли составить конкуренцию полупроводниковым и термоэмиссионным приборам.
Одной из причин многочисленных неудач, длительное время преследовавших все предпринимаемые усилия в направлении снижения уровня шумов полевых эмиттеров является недооценка роли фундаментальной теории, успешно используемой для описания флуктуационных процессов в ряде физических систем. Лишь относительно недавно на основе термодинамического рассмотрения флуктуаций полевого тока был установлен достаточно неожиданный, на первый взгляд, факт, согласно которого величина эквивалентной температуры шумов полевых эмиттеров может быть снижена путем уменьшения величины межэлектродных рабочих напряжений. Заметим, что современные тенденции развития технологии создания перспективных полевых катодов открывают достаточно широкие горизонты для эффективного приложения данных выводов на практике.
Общей чертой современного этапа в исследовании флуктуационных процессов в электронных приборах является его тесная связь с прогрессом наноэлектронной технологии. Наиболее значимым событием этого периода является публикация серии работ Роллса, в которых показано, что характерным свойством субмикронных электронных структур является возможность прямого наблюдения элементарных фликкерных флуктуаций и относительно невысокая степень их стохастичности. Отметим, что благодаря разработке метода зондирующего отверстия «наноэлектронный барьер» достигнут в полевых эмиттерах значительно раньше, чем в МОП транзисторах. Все это послужило, в частности, необходимой основой для применения в наших исследованиях флуктуационных процессов в полевых эмиттерах новых методов, не использовавшихся ранее при изучении шума в каких-либо природных системах.
Общим итогом выполнения данной работы, в целом определяющем научную новизну работы, является развитие нового научного направления — флуктуационной спектроскопии микрои наноэлектронных эмиссионных приборов. Конкретными аспектами, характеризующими научную новизну работы, является следующее:
— Учтена специфика флуктуационных процессов в субмикронных эмиссионных приборах. На этой основе созданы экспериментальные методики и измерены трендовые и детальные частотные зависимости спектральной плотности мощности, фазовые (динамические) характеристики, моментные функции (кумулянтные коэффициенты), одномерная и двумерная функции распределения, эквивалентная температура флуктуаций тока полевых эмиттеров с активной областью микронных и субмикронных размеров.
— На основе экспериментального изучения и компьютерного моделирования спектральных и фазовых характеристик низкочастотных флуктуаций тока показана возможность существования 1// шума с тремя различными типами элементарных флуктуаций: осцилляционными, экспоненциальными и бинарными. С учетом различного уровня взаимной корреляции и различного динамического типа первичных источников шума созданы компьютерные и математические модели шума, которые обеспечили: а) идентификацию динамических характеристик и расчет количества первичных источников элементарных 1// флуктуацийб) оценку времени деградации систем с 1// шумом (при у>1) в) расчет дисперсии и спектральной плотности мощности 1// шума;
— Разработаны и реализованы в виде компьютерных программ алгоритмы некратного интегрирования случайных процессов. Проведена идентификация динамических характеристик элементарных 1// флуктуаций в случайном процессе, полученном путем некратного интегрирования белого шума.
— Установлены закономерности изменения формы двумерной функции распределения флуктуаций под влиянием нелинейных явлений в системе, производящей 1// шум.
Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы, включающего 196 наименований. Общий объем работы составляет 348 страниц машинописного текста, из них — основной текст занимает 274 страниц, иллюстрации — 64 страниц, библиография -13 страниц. Работа содержит 6 таблиц.
Выводы по главе 7.
1. В данной главе представлены компьютерные модели фликкер-шума, которые позволяют синтезировать спектр шума с трендовой зависимостью вида 1//. Пять моделей основаны на рассмотрении различных типов элементарных процессов. Шестая модель основана на трансформации с помощью некратного интегрирования белого шума в случайный процесс вида 1//.
2. По частотной зависимости индекса спектральной плотности наиболее качественно согласуются с экспериментальными данными модели с осцилляционными и бинарными флуктуаторами.
3. В наиболее широкой полосе частот синтез спектров с трендовой зависимостью вида 1// возможен с помощью моделей релаксационных и осцилляционных флуктуаторов.
4. Модели сильнокоррелированных бинарных флуктуаторов, телеграфного сигнала и фрактального интегрирования белого шума обеспечивают синтез не только спектров, но и динамического сигнала, соответствующего этому спектру.
5. Основное отличие реализаций фликкер-шума естественного происхождения от полученного фрактальным интегрированием состоит в наличии у первых относительно редких и нерегулярных во времени импульсных флуктуации Последние могут и отсутствовать в системах с большим числом активных флуктуаторов.
6. Фазовые характеристики фликкер-шума, получаемого фрактальным интегрированием гауссовского белого шума, соответствуют осцилляционным элементарным флуктуаторам.
Заключение
.
В заключение отметим наиболее существенные результаты выполненной работы.
1. Создано новое научное направление — флуктуационная спектроскопия микрои наноэлектронных эмиссионных приборов, включающее в себя формулировку задачи исследований, новые методики измерений и оригинальные результаты экспериментальных исследований, аналитические и численные модели флуктуационных процессов, возможные аспекты практического использования флуктуационной спектроскопии для определения физических и эксплуатационных характеристик исследуемых систем.
2. На основе рассмотрения экспоненциальных, осцилляционных и бинарных моделей в аналитическом виде получены соотношения для расчета дисперсии, трендовой и детальной частотной зависимости спектральной плотности мощности шума вида 1//. В рамках указанных моделей получены численные оценки диапазона частот шума вида 1// и нижней граничной частоты для шума вида 1// (при у>1). В аналитическом виде найдены соотношения для расчета на основе параметров СПМ количества источников элементарных флуктуаций и их динамических характеристик.
3. Изучено влияние краевых эффектов, трендовых изменений эмиссионного тока и выделяющих оконных функций на спектральные характеристики низкочастотных флуктуаций.
4. Получены и экспериментально проверены формулы, позволяющие на основе среднего значения индекса спектральной плотности выполнять оценку времени деградации исследуемых систем по отношению к их параметру, характеризующегося шумом вида 1// (при у>1).
5. Разработан и реализован на ЭВМ алгоритм, выполняющий операцию интегрирования дробного порядка. На его основе исследованы динамические свойства случайных процессов вида 1//, получаемых трансформацией последовательностей белого шума.
6. Экспериментально исследована двумерная функция распределения флуктуационных процессов с локальных участков поверхности. Показано, что наряду с идентификацией статистики флуктуаций двумерная функция распределения обеспечивает модельную визуализацию участка поверхности эмиттера и получение информации о характере нелинейных процессов, проявляющихся в исследуемых флуктуациях.
7. В рамках нелинейной термодинамической модели проведена теоретическая оценка эквивалентной температуры дробового шума полевых эмиттеров. Расчетные характеристики шума сопоставлены с результатами, полученными методом малосигнального импеданса.
8. Методом фазовой плоскости экспериментально исследованы и классифицированы динамические характеристики элементарных низкочастотных флуктуаций тока полевой эмиссии.
