Введение к работе
Актуальность работы. Исследование и обнаружение стабильных автоколебаний тока с воспроизводимыми параметрами в полупроводниках представляет большой интерес прежде всего использованием функциональной возможности этого нового физического явления в разработке принципиально новых приборов и устройств для функциональной электроники, а также более глубокого понимания природы автоколебательных процессов и явление переноса в сильно компенсированном материале.
В настоящее время обнаружены и исследованы
автоколебания тока в различных полупроводниковых материалах. Анализ результатов этих работ показывает, во первых, что для наблюдения автоколебаний тока в этих материалах требуется ряд условий, котораые не всегда могут быть реализованы(из-за температурной области, освещения с определенной длиной волны, высокие электрические поля и т.д.), во вторых отсутствуют экспериментальные результаты показывающие закономерности изменения параметров автоколебаний тока и условий их возбуждения в зависимости от параметров материала. Также следует отметить, что практически не исследованы инжекционные автоколебания тока более систематически в полупроводниках. Если учесть, что электрическими напряжениями (с полями и инжекцией) управлять перезарядкой энергетических уровней в запрещенной зоне не только более удобно и достаточно чем освещением или температурой, но и существенно упрощает практическое применение этого явления. К настоящему времени экспериментально электрическая неустойчивость наблюдалась в целом ряде полупроводников, где условия возникновения и особенности генерации колебаний тока существенно отличались в различных полупроводниках.
В связи с этим цель и задачи данной работы получить автоколебания в компенсированном марганцем кремнии исключающие выше указанные дополнительные условия, то есть, чтобы автоколебания возбуждались при высоких температурах без дополнительной освещенности и небольших значениях напряженности электрического поля.
Для выполнения данной работы понадобилось решение следующих задач:
- разработать оптимальную технологию получения
инжекционных контактов и структур р+ - р - р+ , р+ - п - р* ,
п+ - n - n+ , на основе компенсированного кремния, легированного марганцем, с различными удельными сопротивлениями базы структуры ps = 102 - 105 Ом см как п - типа, так и р - типа проводимости;
- изучить ВАХ таких структур в зависимости от ре и типа
проводимости базовой области.
исследовать условия возникновения инжекционных неустойчивостей в кремниевых структурах типа р+ - p(Si
- исследовать влияние внешних воздействий (температуры,
давления, освещения, магнитного поля) на условия возникновения и
параметры инжекционных неустойчивостей, и определить оптимальные
условия возникновения автоколебаний в инжекционных структурах;
выяснить механизм возникновения инжекционной неустойчивости в структурах на основании сильно компенсированного Si <Мп> ;
определить возможности практического использования инжекционных неустойчивостей для создания полупроводниковых приборов со стабильными и управляемыми параметрами, удобных для эксплуатации.
Объект исследования. Объектом исследования являются компенсированные марганцем структуры р* - р (Si
Научная новизна.
-
Впервые разработаны и получены инжектирующие контакты в сильно компенсированном материале, принципиально отличающиеся от предшествующих. Также показана возможность получения инжектирующих контактов до получения компенсированного материала и определен технологический режим получения р+ - р - р+ , n+ - п - п+ структуры для последующей компенсации.
-
Впервые получены инжекционные структуры р+-р (Si
)-р+ и р+- n(Si <Мп> ) - р+ , п* - п ( Si < Мп > ) - п+ и определены параметры, а также технологический режим изменения параметров базовой области.
3. Впервые обнаружены стабильные и воспроизводимые
автоколебания тока, связанные с инжекцией в структурах р+ - р (Si
Исследованы условия возбуждения инжекционных неустойчивостей.
Изучены вольт-амперные характеристики этих структур и определены
6'
области существования неустойчивостей тока от приложенного значения напряженности электрического поля.
4. Установлено, что стабильные автоколебания тока
инжекцнонного типа могут возбуждаться как в темноте, так и при
освещенности достаточно большой амплитуды с коэффициентом
модуляции ~ 100%.
5. Показано, что автоколебания существуют в структурах
р+ - р (Si
от рб=Ю2Омсм до р6=103 Омсм и меняя удельное сопротивление
базовой области можно варьировать параметрами и формами
автоколебания.
6. Определены закономерности изменения параметров
автоколебания тока и условия возбуждения от удельного
сопротивления базовой области.
7. Впервые исследованы температурные зависимости условий
возбуждения автоколебаний и изменения параметров в инжекционных
структурах. Показано, что инжекционные неустойчивости существуют
в интервале температур от Т=77 К до Т=350 К, с увеличением
температуры пороговое поле возбуждения неусгойчивостей структуры
уменьшается, а пороговая частота колебаний увеличивается.
8. Исследованы влияния внешних воздействий: давления,
магнитного поля на условия возбуждения и изменение параметров
автоколебаний в структурах р+- р (Si <Мп> ) - р+. Показано, что с
увеличением одноосного сжатия пороговое поле возбуждения
неустойчивости уменьшается или наблюдается стимуляция
неустойчивости давлением и наблюдения автоколебания при более
низких значениях электрического поля.
9. Предложены и показаны возможности создания на основе
автоколебаний приборов разного назначения, работающих в широком
интервале температур.
Практическая ценность работы. Особенность работы заключается в том, что наблюдаемые инжекционные колебания получены в широком интервале температур от Т=77-350 К. Установлено, что неустойчивости тока в структурах типа р+ - p(Si
ОСВеЩеНИЯ, ДОВОЛЬНО ВЫСОКОе Значение аМПЛИТуДЫ 1та*=300 мА с
~ 100% коэффициентом модуляции и довольно широкий диапазон
изменения частоты f = 10-М О4 Гц, а также разнообразная форма,
что и позволяет на их основе создать миниатюрные твердотельные генераторы, работающие при высоких температурах. Такие генераторы
не требуют дополнительных условий для возбуждения автоколебаний, например, как низкие температуры, освещение и высокие напряженности приложенного электрического поля. Исследование показало, что параметры Inop, I, f инжекционных неустойчивостсй очень чувствительны к внешним воздействиям, таким, как давление, температура, магнитное поле, освещение и т.п.
Под действием внешних факторов изменяются условия возбуждения и параметры автоколебания. Датчики на основе автоколебания имеют амшттудно-частотный выход, поэтому создание датчиков на основе инжекционных структур кремния, компенсированных марганцем р+ - (Si <Мп> ) - р4" разнообразные: датчики давления, температуры, магнитодатчики и гл., а также разнообразных преобразователей отличается своей простотой н удобством в эксплуатации. Защищаемые полоєеїшг.
1. Разработана технология получения структур р* - р - р+, р+ - п -
р+, п+ - п - п* , на основе компенсированного кремния марганцем.
Обнаружены ннжекцнонные неустойчивости тока при комнатных и
выше температурах, как в темноте , так и при наличии освещения, при
достаточно низких значениях напряженности электрического поля.
2. Определена область существования инжекционных
автоколебаний по удельному сопротивлению базовой области
струхтуры 3№ > ре > 10і Ом-см. Установлено, что этот тип
автоколебания может возбуждаться в интервале температур 77 -
350 К, как при темноте, так и при освещенности.
-
Установлена закономерность изменения амплитуды и частоты , параметров автоколебания от удельного сопротивления базовой области структуры, температуры, электрического поля и освещенности. Показано, что при этом можно варьировать амплитудой колебания в интерзале 1= 10 -5 - 3-101 А и частотой f= IО2-!О4Гц.
-
Установлена корреляция между параметрами автоколебания с температурой, давлением, электрического и магнитного поля, освещенности. Показана возможность управления условиями возбуждения и параметрами автоколебания в широком интервале.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно- технической конференции VII симпозиуме по вторичным электронным эмиссиям и фотоэлектронным эмиссиям, спектроскопии поверхности твердого тела (г. Ташкент, 1990 г.), на научно-технической конференции "Перспективные материалы твердотельной электрошпеи. Твердотельные преобразователи в автоматике и робототехнике" (г. Минск, 1990 г.), на второй всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (г. Ашхабад, 3991 г.), на международном совещании по проблеме "Новые перспективные материалы и технологии" (г. Ташкент, 1994 г.), на Ї
международной научной конференции "Новые материалы и приборы" г. Ташкент, 1994 г.), на конференции преподавателей и аспирантов ТГТУ (г. Ташкент, 1994-98гг.), на международной конференции "Современные проблемы физики полупроводников и диэлектриков" (г. Ташкент, 1995 г.), на международной конференции "Проблемы теоретической физики и физики твердого тела" (г. Бухара, 1997 г.), на международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводшіксБьіх структурах" (г. Ульяновск, Россия, 1996 г., также 1997 г.), на международной конференции 5 th International Symposium on Advanced Materials (September 21-25, 1997 y., Islamabad, Pakistan) и др.
По результатам работы опубликовано 21 печатных работ.
С5ьсм н стругяура ргботы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит страниц, в том числе страницы основного текста, рисунков, таблиц и список цитируемой литературы из наименований.
