Дослідження вольт-амперної характеристики транзисторних структур розподіленим p + -n переходом і активними контактами різних типів
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Федеральне державне бюджетне освітня установа
вищої професійної освіти
«Кубанського державного університету»
(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)
Фізико-технічний факультет
Кафедра радіофізики та нанотехнологій
КУРСОВА РОБОТА
Дослідження вольт-амперної характеристики транзисторних структур розподіленим p + - n переходом і активними контактами різних типів
Роботу виконав Шарі Хасан Иссам
курс 3
Спеціальність 210401 - Електроніка та наноелектроніка
Краснодар 2015
реферат
Шарі Х.И. Дослідження вольт - амперної характеристики транзисторних структур з розподіленим p + - n переходом і активними контактами різних типів.
Вольт - амперна характеристика транзисторних структур, транзисторні структури з активними контактами різних типів, вольт - амперна характеристика бісмещенного переходу з инжекционной нестійкістю.
Об'єктом дослідження курсової роботи є транзисторні структури з розподіленим p + -nпереходом.
Метою роботи є дослідити вольт-амперні характеристики структур з розподіленим p + -n-переходом І двома типами активних контактів: контактом метал - тунельно - прозорий - окисел - напівпровідник і локальним n + -p-діодом при різних режимах розподіленого p + -n- переходу і провести їх порівняльний аналіз.
В результаті виконання курсової роботи був проведений аналіз - фізичних процесів транзисторних структур, що мають розподілений по всій площі кристала емітерний p + -n - перехід і вольт - амперних характеристик транзисторних структур, що мають розподілений по всій площі кристала емітерний p + -n - перехід, розглянуті методи їх розрахунку.
зміст
Позначення і скорочення
Вступ
. Літературний огляд
.1 Нерівноважні електронні процеси в структурах МТОП
.2 Сімейства ВАХ структури з розподіленим p + -n-переходомактівним МТОП-контактом
.3 Вольт-амперні характеристики БІСПІН-структури
. експериментальна частина
2.1 Дослідження впливу розподіленого p + -n-переходу на параметри коливань в структурах з розподіленим p + -n- переходом
2.2 Залежність повного диференціального опору структур сраспределенним p + -n-переходом від напруги на AK
висновок
Список використаних джерел
Позначення і скорочення
АКактівний контактПОСположітельной зворотного связіБІСПІНбісмещенний перехід з инжекционной неустойчівостьюВАХвольт-амперна характерістікаТСРПТранзісторние структури, що мають розподілений по всій площі кристала емітерний p + -n - переходМТОПметалл - тунельно - прозорий - оксид - полупроводнікСРПструктура з розподіленим p + -n-переходомНТнеустойчівость токаОСотріцательное сопротівленіеПСповерхностних состоянійПБНТповерхностно-бар'єрний нестійкий токПОСНПоложітельно обратноя зв'язком по напряженіюОПЗобласть пространс венного зарядаЛКлокальний транзісторПДСполное диференціальне опір
Вступ
В останні час все більше уваги приділяється вивченню транзисторні структури зазвичай містять емітерний перехід, площа якого значно менше площі колекторного. Всі процеси, що протікають в таких структурах, вивчені практично повністю. Але процеси відбуваються в транзисторних структурах в яких площа емітерного переходу яких перевищує площу колекторного вивчені не так добре. Дослідження такого роду ведуться на кафедрі радіофізики та нанотехнології Кубанського держуніверситету. Відмінною особливістю структур з розподіленим p + -n-переходом (УРП), крім розподіленого емітерного переходу, є те, що колекторний перехід виконаний у вигляді локального контакту метал-тунельно-прозорий окисел-напівпровідник (МТОП), званого активним контактом (АК).
Транзисторні структури, що мають розподілений по всій площі кристала емітерний p + -n - перехід (ТСРП), на n - області (база) якого виконується локальний контакт (активний контакт), являють собою структури метал - тунельно - прозорий - окисел - напівпровідник (МТОП ). Головна характерна риса характеристик МТОП структур полягає в тому, що починаючи з певної напруги на активному контакті (АК) по відношення до бази U ак навіть при "розімкнутому" емітерний перехід в цій структурі з'являються імпульсні коливання струму через АК і пилковидні коливання потенціалу на p + - області емітера. Дослідження показали, що виникнення цих коливань є наслідком одного з видів рекомбинационной нестійкості струму - поверхнево - бар'єрної нестійкості струму і характеризується
В результаті недавніх досліджень причин появи неустойчівостітока в n - канальному МОП - транзисторі встановили, що вони також пов'язані з перезарядженням ловушечних станів. Структури з АК, созданниевишеуказанним шляхом, мають високу стабільність електричних і фотоелектричних характеристик, що дало можливість розробити на їх базі стабільно працюючі не мають аналогів функціональні прилади.
Ще одним типом структур ТСРП є БІСПІН - прилади.
Бісмещенний перехід з инжекционной нестійкістю - прилади є напівпровідниковими структурами з БІСмещенним переходом і инжекционной нестійкістю.
Бісмещенний перехід з инжекционной нестійкістю - прилади перетворюють аналоговий сигнал на вході в періодичну послідовність імпульсів струму або напруги.
Робочим середовищем цих приладів є напівпровідникова структура з розподіленим p + -nілі n + -pпереходом. На поверхні слаболегірованних n- або p + -області створюють нелінійний Aи омічний Bконтакти. Нелінійним контактом може служити також вбудований локальний n + -p-nілі p -np-транзистор.
Таким чином, метою даної курсової роботи є дослідити вольт-амперні характеристики структур з розподіленим p + -n-переходом І двома типами активних контактів: контактом МТОП і локальним n + -p-діодом при різних режимах розподіленого p + -n-переходу і провести їх порівняльний аналіз.
Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні завдання:
. Вивчити нерівноважні електронні процеси в структурах різними активними контактами (МТОП і БІСПІН).
2. Виявити особливості сімейства ВАХ структури з розподіленим p + -n-переходом.
. Експериментальне досліджувати впливу режиму розподіленого p + -n-переходу на вольт-амперні характеристики структур з розподіленим p + -n-переходом з АК МТОП і локальним n + -p-діодом.
. Виявити залежність повного диференціального опору структур з распределеннимp + -n-переходом від напруги на активному контакті.
У цій роботі проведено дослідження фізичних процесів, що протікають в транзисторних структурах з распределеннимp-nпереходом, характеристик ВАХ цих структур і розглянуті методи їх розрахунку.
1. Літературний огляд
.1 Нерівноважні електронні процеси в структурах метал - тунельно - прозорий - окисел - напівпровідник
Виникнення нестійкості струму (НТ) в структурах МТОП, а також пов'язані з нею особливості їх електрофізичних і фотоелектричних характеристик значною мірою обумовлені нерівновагими електронними процесами, що протікають в АК структури.
Електронні квазістаціонарних процеси, що призводять до посилення струму, яке відіграє важливу роль у механізмі виникнення НТ, вперше докладно розглянуті в роботах [1, 2]. Як випливає з результатів цих робіт, при товщині діелектрика менше деякої критичної (3,0-3,5 нм) різко зростає екстракція неосновних носіїв з приповерхностной області напівпровідника. Так як швидкість, з якою дірки поставляються до кордону розділу, обмежена, з ростом зворотного зсуву на металевому електроді відбувається збіднення ними приповерхневого шару. Оскільки інтенсивність термічної генерації стає недостатньою для підтримки инверсионного шару, концентрація дірок падає нижче її рівноважного значення. В роботі [3] також показано, що при введенні в приповерхневих шар додаткових дірок, напруженість поля у поверхні напівпровідника може сильно зрости. Автори на основі аналізу процесів в структурі роблять висновок, що посилення струму можна отримати лише на тих зразках, у яких поверхня напівпровідника в початковому стані збагачена основними носіями. При збільшенні зворотної напруги на МТОП-контакті відбувається послідовний перехід його стану від збагачення до збіднення, а потім до нерівноважному збіднення, оскільки обмежена інтенсивність термічної генерації не дозволяє створити інверсійний шар на поверхні напівпровідника. При переході від збагачення до збіднення все більша частина напруги припадає на діелектрик. Оскільки зберігається умова рівноваги на поверхні напівпровідника, це призводить до зміщення рівня Фермі в металі до краю зони провідності. При інжекції неосновних носіїв в приповерхневих область напівпровідника поле в діелектрику збільшується, і рівень Фермі металу зміщується вище краю зони провідності, що призводить до різкого збільшення електричного струму з металу, причому збільшення струму основних носіїв може значно перевищувати інжекційні ток неосновних носіїв.
Аномально великий коефіцієнт передачі струму кремнієвої транзисторної структури МТОП з площинним дифузійним або сплавним p + -n-переходом в схемі із загальною базою спостерігався також авторами роботи [4]. Коефіцієнт передачі струму a = D I a / D I p (I a - зворотний струм активного контакту, I p - прямий струм p + -n-переходу) визначався по сімейству статичних ВАХ, знятих в режимі генератора струму як в ланцюзі назад зміщеного МТОП -Контакт, так і в ланцюзі p + -n-переходу.Виявлено, що з деякої напруги U a на АК величина a перевищує одиницю. Причому було встановлено, що початок цього зростання a відбувається при напрузі, відповідних критичного напрузі виникнення ПБНТ. Значення a, що перевищують одиницю, спостерігаються на тих контактах, на яких в певних умовах виявляється НТ.
Спостережувані закономірності добре узгоджуються з моделлю, запропонованою авторами роботи. При невеликих зворотних напругах струм через МТОП-контакт переноситься в основному інжектовані з p + -n-переходу дірками. З огляду на малу площу і невеликий ефективності контакту з ростом струму інжекції відбувається збагачення області напівпровідника поблизу контакту акумульованих дірками. Це призводить до значного зниження товщини бар'єру, посилення поля в ОПЗ і навіть при досить низькій напрузі на контакті викликає тунельну емісію електронів з ПС, контролюючих бар'єр, яка через зниження висоти бар'єру призводить до різкого зростання струму термоелектронної емісії з металу. Для компенсації надлишкового заряду еміттірованних електронів з p + -області в базу витягується значна кількість дірок, і вона набуває негативний потенціал. Кількість дірок, достатню для «запуску» процесу тунельної емісії з ПС контакту, що приводить до множення носіїв на ньому, залежить від площі контакту і досягається притому менших токах I p, чим менше площа контакту.
Таким чином, причини виникнення аномально великих значень a і, спостережувані при цьому закономірності, виявлені в структурах МТОП, стають зрозумілими на основі моделі, що пояснює множення струму на контакті емісією електронів з металу, яка «запускається» тунельної емісією з ПС.
Малюнок 1-Осцилограми коливань струму і напруги: а - Осцилограми коливань струму АК (а), б - напруги на p + -області МТОП-структури (б)
В роботі [5] детально розглянуті нерівноважні електронні процеси, що визначають виявлені експериментально особливості ПБНТ в структурах МТОП. При додатку до МТОП-контакту зворотної напруги дірки з n-області через трапецевідний бар'єр оксиду (Малюнок 3) туннелируют в метал, і дірковий компонент струму через структуру спочатку переважає. Оскільки товщина бази істотно менше довжини дифузії дірок (d <
Найбільш імовірним процесом, визначальним зростання струму зі збільшенням напруги, прикладеного до структури, є тунельна емісія електронів з ПС в зону провідності через бар'єр ОПЗ. Цей процес самопідтримується виникає динамічної позитивним зворотним зв'язком по струму. Дійсно, емісія електронів з ПС, контролюючих бар'єр в контакті, призводить до зменшення його висоти j і одночасного звуження ОПЗ, а, отже, збільшення поля в ній, що ще сильніше стимулює емісію і збільшення провідності приповерхностной області напівпровідника.
Зниження j призводить до збільшення струму термоелектронної емісії з металу. Це викликає збільшення провідності і звуження ОПЗ за рахунок втягування в приповерхневих область дірок, що компенсують заряд електронів, еміттірованних з металу. В результаті йде спустошення ПС, випрямлення зон напівпровідника і різке зростання струму протягом часу t1 (ділянка 1 осцилограми коливань струму, див. Малюнок 1). В результаті напруга джерела розподіляється за зразком і на опорі зовнішньому ланцюгу. Поле в ОПЗ зменшується, і починається рекомбінація і захоплення на ПС надлишкових нерівноважних електронів (ділянка 2, см. Малюнок 1). Якщо швидкість надходження дірок з p + -області невелика, через час t2 захоплення електронів на ПС починає переважати над рекомбинацией струм різко спадає за час t3 (ділянка 3, см. Малюнок 1). Причому спад струму підтримується виникає динамічної позитивним зворотним зв'язком по напрузі (Поснов). Дійсно, захоплення електронів на ПС викликає зменшення провідності приповерхностной області напівпровідника, при цьому відбувається в результаті заповнення ПС відновлення бар'єру призводить до розширення ОПЗ, зменшення в ній поля і, крім того, різкого обмеження термоелектронного струму з металу. Все це підтримує зменшення провідності приповерхностной області напівпровідника і тим самим створює Поснов.
Після заповнення ПС до початкового квазірівноважного значення напруженість поля в ОПЗ залишається ще нижче критичного значення до тих пір, поки концентрація дірок в приповерхневої області напівпровідника не досягне значення, відповідного початку тунельної емісії електронів з ПС. При цьому напруженість поля в ОПЗ знову досягає критичного значення і через проміжок часу t4 після закінчення спаду струму через структуру процеси повторюються.
Запропонована в роботах [6, 7, 8-10] модель виникнення ПБНТ лише в загальних рисах пояснює фізичні процеси, пов'язані з струмопереносу через структури МТОП. Так, наявність великого початкового струму через МТОП-контакт (перевищує 0,1 мА), як показали проведені нами дослідження, не робить істотного впливу безпосередньо на процес накопичення дірок поблизу нього. Однак його протікання по розподіленого опору n-області вздовж кордону n- і p + -області повинно призводити до зміни висоти потенційного бар'єру в різних частинах розподіленого p + -n-переходу, що не може не впливати на величину потоку дірок з p + -області, а значить і на процес їх накопичення. Можливість такого впливу відзначається в роботах [11, 12], але детального його дослідження не проводилося.
Відповідно до розглянутої моделлю при збільшенні зворотного зсуву МТОП-контакту час накопичення дірок до критичної концентрації, а значить і період коливань, має зменшуватися. Однак в роботі [13] відзначається збільшення періоду коливань. Таким чином, з наведеного аналізу робіт, присвячених дослідженням нерівноважних електронних процесів в структурах МТОП, видно, що механізм накопичення неосновних носіїв в цих структурах ще не досить вивчений і вимагає більш детальних досліджень
.2 Сімейства ВАХ структури з розподіленим p + -n-переходом і активним МТОП-контактом
Для з'ясування ролі розподіленого p + -n-переходу в механізмі виникнення НТ в структурах з АК різних типів нами вперше були проведені дослідження залежності виду ВАХ МТОП- і БІСПІН-структур від режиму p + -n-переходу, а для МТОП-структури і від величини розподіленого опору n-області r б. ВАХ структур з АК обох типів досліджувалися в режимі генератора струму в ланцюзі АК на установці, зображеній на Малюнок 6, за методикою, описаною в 2.2, а розподілені опору на тій же установці за методикою, описаною в 2.4. При дослідженні ВАХ МТОП-структури використовувався зразок з омічними контактами, розташованими на різній відстані від АК.
На Малюнок 2-4 наведені типові сімейства ВАХ МТОП-структури з розподіленим опором бази r б між АК і омічними контактами 2,36, 3,58, 4,75 кОм, зняті при наступних режимах розподіленого p + -n-переходу: 1) на p + -n-переході задавалося зворотне зміщення (U = 5 В), (режим відсічення); 2) на p + -n-перехід не подавалося зміщення (режим "обірваної" p + -області); 3) режим задавався замикання p + -n-переходу резісторомR pn = 100 кОм і R pn = 20 кОм; 4) режим задавався освітленням n-області інфрачервоним випромінюванням потужністю 0,5 мВт.
Як бачимо з Малюнок 2, а в режимі відсічення НТ не виникає. При U а> 7 В спостерігається слабка залежність виду ВАХ від розподіленого опору бази.
Малюнок 2-Типові сімейства ВАХ МТОП-структур з різними розподіленими опорами бази в режимі відсічення (а) і в режимі «обірваної» p + -області (б)
Малюнок 3-Типові сімейства ВАХ МТОП-структур з різними розподіленими опорами бази при R pn = 100 кОм (а) і R pn = 20 кОм (б)
Малюнок 4 - Типові сімейства ВАХ МТОП-структур з різними розподіленими опорами бази при підсвічуванні n-області (P = 1 мВт)
У режимі «обірваної» p + -області (Малюнок 2, б) ділянка 1 ВАХ, відповідний Uа <5 В, не залежить від rб. На таких ділянках криві мають відмінність - з ростом rб диференціальне опір на ділянці 2 збільшується. На ділянці 3 спостерігається негативне опір (ОС), що свідчить про наявність ПОСТ [14]. Критичне напруга виникнення ділянки ОСUкр незначно збільшується зі зростанням rб. Після появи ділянки ОС виникає НТ (характерне розмиття на ВАХ, показане штрихуванням).
Включення Плазуни опору Rp-n призводить до зміни виду ВАХ і характеру його залежності від rб в порівнянні з режимом «обірваної» p + -області. Як видно з Рисунок 3, ділянка 1, відповідний Uа <3 В, для всіх значень rб приблизно однаковий. На таких ділянках криві розрізняються - з ростом rб диференціальне опір на ділянці 2 зменшується, абсолютне значення ОС на ділянці 3 збільшується, а напруга Uкр помітно зменшується, тоді як в режимі «обірваної» p + -області воно незначно збільшується. Причому значення струму, відповідне цьому напрузі, зменшується з ростом rб. Крім того, при Rp-n = 20 кОм Uкр менше, а абсолютне значення ОС більше, ніж при Rp-n = 100 кОм і тим більше ніж в режимі «обірваної» p + -області. Після появи ділянки ОС також виникає НТ.
ВАХ МТОП-структури, зняті при освітленні зразка, за своїм виглядом дуже схожі з ВАХ, знятими при Плазуни опорі, однак вплив rб їх вид аналогічно нагоди «обірваної» p + -області. З Малюнок 4 видно, що так само як і в режимі «обірваної» p + -області, Uкр збільшується з увеліченіемrб, а відповідне йому значення струму не змінюється. Однак величина цієї напруги істотно менше, ніж в режимі «обірваної» p + -області. ОС має абсолютне значення таке ж, як і в режимі «обірваної» p + -області.
Розглянемо, використовуючи енергетичну діаграму (см.рісунок 3), а також низкочастотную еквівалентну схему структури з розподіленим p + -n-переходом, можливі фізичні процеси, що визначають виявлені особливості ВАХ МТОП-структури.
Відсутність НТ в режимі відсічення добре узгоджується з моделлю фізичних процесів в МТОП-структурі, відповідно до якої НТ виникає при досягненні концентрацією дірок в ОПЗ АК за рахунок накопичення деякого критичного значення psк. Однак в режимі відсічення зрослий потенційний бар'єр, обратносмещенногоp + -n-переходу, перешкоджає надходженню дірок з p + -області. Теплова ж генерація дірок в базі і ОПЗ АК не в змозі забезпечити їх накопичення до критичної концентрації. Це легко показати, якщо врахувати, що в режимі відсічення дірковий струм АК, обумовлений тепловою генерацією носіїв ВЕГО ОПЗ,
i p = Sen i l / 2 t p, (1)
де S »10 -3 cм 2 - площа АК; e - елементарний заряд; i = 1,6 ∙ 10 10 см -3 - власна концентрація носіїв; - ширина ОПЗ,
t p »10 -5 c - час життя дірок в базі)
i p = 1 / 4ep s v p D p S, (2)
де p s - концентрація дірок в ОПЗ АК; p - теплова швидкість дірок рівна при кімнатній температурі 7,5 ∙ 10 6 см / с; p - коефіцієнт прозорості оксиду для дірок, величина якого при товщині оксиду 2-2,5 нм за розрахунками становить 10 -8 -10 -7.
Величину l можна розрахувати по відомому співвідношенню
, (3)
де j 0 = 0,3-0,4 еВ - висота бар'єру МТОП-контакту. З огляду на, що N d = 1 / e m n r n = 1,7 ∙ 10 15 см -3 дляU а = 5 В, маємо l = 2 мкм. Підставляючи в (2) обчислене за формулою (1) значення діркового струму АК, можна знайти величину p s.
Критична концентрація p Sк пов'язана c критичної напруженістю поля E до в ОПЗ АК, при якій починається тунельна емісія електронів з ПС та відповідної цієї напруженості шириною l до ОПЗ АК. З огляду на, чтоE к = U а / l до з виразу (1.3), отримаємо:
. (4)
Величина E до, відповідна початку приводить до розвитку НТ тунельної емісії електронів з ПС з глибиною залягання 0,3-0,4 еВ за даними [15] лежить в межах 3 ∙ 10 5 - 7 ∙ 10 5 В / см. Обчислимо критичну концентрацію p Sк при гранично допустимому напрузі на структурі U а = 30 В і порівняємо її з реальною концентрацією дірок p s в ОПЗ АК при цьому ж напрузі. Розрахунок за формулами (1.1-1.4) дає p К = 4 ∙ 10 16 -2 ∙ 10 17 см -3 і p s = 10 11 -10 12 см -3. Як бачимо, реальне значення концентрації дірок приблизно на п'ять порядків менше критичного значення, що явно свідчить про неможливість виникнення НТ в режимі відсічення.
Перехід від режиму відсічення до режиму «обірваної» p + -області призводить до виникнення НТ. З цього однозначно випливає, що в накопиченні дірок істотну роль починає грати їх надходження з p + -області, оскільки, як показано вище, теплова генерація дірок не забезпечує критичної концентрації. Розгляд механізму накопичення з точки зору моделі [14], дозволяє несуперечливо пояснити як поява ділянки ОС на ВАХ, так і виникнення НТ. Однак пояснити залежність виду ВАХ від розподіленого опору базиr б і, особливо, різний характер цієї залежності при різних режимах розподіленого p + -n-переходу за допомогою цієї моделі не представляється можливим. На наш погляд, це пов'язано з тим, що в цій моделі не враховується вплив протікання початкового струму АК по r б уздовж розподіленого p + -n-переходу, на висоту його бар'єру.
Розглянемо механізм цього впливу при «обірваної» p + -області. Початковий струм АК I а, протікаючи по розподіленого опору бази r б уздовж кордону n- і p + -області, створює падіння напруги наr б, що призводить до залежності потенціалу n-області від координати. Оскільки p + -область можна вважати еквіпотенційної поверхнею, зміщення розподіленого p + -n-переходу також залежить від координати. Припустимо, що в початковий момент потенціал p + -області дорівнює потенціалу локального ділянки бази поблизу АК (точка D на еквівалентній схемі). Тоді зміщення p + -n-переходу виявиться зворотним, а його величина буде змінюватися від нуля поблизу АК до значення, рівного I а r б поблизу омічного контакту. Зворотне зміщення p + -n-переходу викличе екстракцію дірок з бази в p + -область, що призведе до появи в ній позитивного заряду дірок. А оскільки p + -область «обірвана», її потенціал стане більше потенціалу точки D. У результатеnвознікнет пряме зміщення p + -n-переходу під АК, яке буде збільшуватися до тих пір, поки величина прямого струму I пр p + -n-переходу під АК не стане дорівнює величині зворотного струму I обр в іншої його частини. Таким чином, розподілений p + -n-перехід буде знаходитися в двох просторово розділених станах з протилежними рівнями зміщення. Такий стан p + -n-переходу так само, як і в роботі [15], будемо називати бісмещенним.
Існування бісмещенного стану підтверджується порівнянням різниці потенціалів U pn між p + -області і виведенням бази з падінням напруги I а r б на розподіленому опорі бази (Таблиця. 1).
Таблиця 1 Порівняння різниці потенціалів U pn з падінням напруги I а r б
Порівняння показує, що при будь-яких значеннях початкового струму АК I а і опорах бази r б U pn
1.3 Вольт-амперні характеристики БІСПІН-структури
Дослідження ВАХ БІСПІН-структур проводилися для зразків двох партій, виготовлених за технологією, описаної в гл. 2, і що відрізняються товщиною локального ділянки n-області структури d nл між АК і розподіленим p + -n-переходом.
На Малюнок 5-7 наведені ВАХ БІСПІН-структур обох партій, зняті в режимі генератора струму в ланцюзі АК за методикою, описаною в гл. 2, при наступних режимах розподіленого p + -n-переходу: 1) на p + -n-перехід не подавалося зміщення від зовнішніх джерел (режим «обірваної» p + -області); 2) режим задавався Плазуни сопротівленіяміR pn = 100 кОм і R pn = 20 кОм; 3) режим задавався освітленням n-області інфрачервоним випромінюванням при потужності випромінювання 0,2 і 1 мВт.
Малюнок 5-Типова ВАХ БІСПІН-структури 1-й і 2-й партії при відсутності підсвічування n-області, а також 2-й партії при замикання p + -n-переходу
Проаналізуємо наведені ВАХ. Як видно ізРісунок5, в режимі «обірваної» p + -області ВАХ БІСПІН-структур обох партій мають однаковий вигляд. На ділянці 1 дуже малому (0,1 мкА) значенням струму відповідає значне (0-23 В) зміна напруги на структурі.
Малюнок 6-Типова ВАХ БІСПІН-структури першої партії при замикання розподіленого p + -n-переходу (Rp-n = 20 кОм іRp-n = 200 кОм)
На ділянці 2 спостерігається ОС. На ділянці 3 при значному (12-330 мкА) зміні струму напруга практично постійно. При відсутності освітлення n-області в режимі «обірваної» p + -області НТ в БІСПІН-структурі не виникає. Включення Плазуни резистора призводить до зменшення критичної напруги Uос виникнення ділянки ОС і виникнення НТ (характерне розмиття на ВАХ, показане штрихуванням) в зразках 1-й партії при напрузі на АК Uа> Uк = 9 В. Зменшення Rp-nпріводіт до зникнення ділянки ОС, проте величина Uк не змінюється. На вигляд ВАХ зразків 2-й партії включення Rp-n не впливає. При висвітленні n-області в зразках обох партій виникає НТ при Uк = 1 В, причому також як і в режимі «обірваної» p + -області ВАХ, мають однаковий вигляд. Збільшення інтенсивності світла призводить до зникнення ділянки ОС.
Малюнок 7-Типові ВАХ БІСПІН-структур 1-й і 2-й партій при підсвічуванні n області при струмі світлодіода Iсв = 2 мА і Iсв = 10 мА
метал транзисторний напівпровідник приміщення повинна бути захищена
2. Експериментальна частина
2.1 Дослідження впливу розподіленого p + -n-переходу на параметри коливань в структурах з розподіленим p + -n-переходом
Коливання, що виникають в УРП, є розривними і для їх виникнення крім позитивного зворотного зв'язку необхідна наявність в системі швидких і повільних процесів, здатних швидко виводити систему з рівноваги і повільно повертати. Для МТОП-структури швидкими процесами є встановлення прозорості бар'єру за час t 1 і відновлення бар'єру за час t 3. Повільними процесами є рекомбінація нерівноважних носіїв за час t 2 і накопичення дірок в ОПЗ АК за час t 4. Процес накопичення пов'язаний з екстракцією дірок активним контактом з бази і p + -області, крім того, накопичення також може бути обумовлено инжекцией дірок з p + -області, тобто розподілений p + -n-перехід грає важливу роль в процесі накопичення. Однак динаміка накопичення дірок за рахунок інжекції які раніше не досліджувалася.
У БІСПІН-структурі також мають місце швидкі і повільні процеси. Однак їх механізм однозначно не з'ясований. Так, в роботі [16] відзначається, що ці процеси повністю аналогічні процесам в МТОП-структурі. У роботах [17] швидкі процеси зв'язуються з зарядкою бар'єрної ємності распределенногоp + -n-переходу, а повільні - з рекомбінацією накопичених в базі в результаті інжекції з p + -області дірок і розрядкою бар'єрної ємності розподіленого p + -n-переходу.З аналізу робіт, присвячених дослідженню електрофізичних характеристик МТОП- і БІСПІН-структур, можна зробити висновок, що розподілений p + -n-перехід повинен робити істотний вплив на параметри коливань в цих структурах.
Для з'ясування механізму впливу розподіленого p + -n-переходу на параметри коливань в УРП були проведені дослідження осциллограмм коливань струму, що протікає через структуру, і коливань напруги на p + -області при різних режимах p + -n-переходу.
На Малюнок 8 наведені типові осцилограми коливань струму АК (а), коливань напруги на p + -області МТОП-структури при струмі через p + -n-перехід, I p = 50 мкА (б) і перемикає резистори R pn = 20 кОм ( в). Початку координат на осцилограмах відповідає момент подачі напруги на АК та струму I pn. Зняті аналогічним чином осцилограми для БІСПІН-структури приведені на Малюнок 9.
Малюнок 8 - Осцилограми коливань: а - струму АК МТОП-структури; б - напруги на p + -області при струмі через p + -n-перехід Ip = 50 мкА; в - перемикає опорі Rp-n = 20 кОм
Малюнок 9-Осцилограми коливань: а - струму АК БІСПІН-структури; б - напруги на p + -області при струмі через p + -n-перехід Ip = 50 мкА; в - перемикає опорі Rp-n = 20 кОм (тільки для 1-ї партії при Uпит = 10 В)
Аналіз осцилограм дозволяє виділити наступні характерні ділянки: 1 - незначне збільшення струму АК при майже незмінному напрузі на p + -області протягом часу t0; 2 - різке зростання струму через АК при різкому збільшенні негативного напруги на p + -області за час t1; 3 - швидкий спад струму за час t2.1; 4 - повільне зменшення струму за час t2.2 при майже незмінному напрузі на p + -області; 5 - швидкий спад струму за час t3 при різкому зменшенні негативного напруги на p + -області; 6 - збереження квазістаціонарного значення струму при плавному зменшенні негативного напруги на p + -області за час t4.1; 7 - незначне збільшення струму АК за час t4.2 при майже незмінному напрузі на p + -області. Вимірювання показали, що форма коливань напруги на p + -областізавісіт від способу завдання режиму p + -n-переходу. Так, при завданні режиму генератором струму залежність напруги на p + -області від часу на ділянці 6 близька до квадратичної, тоді як при завданні режиму перемикаються опором - залежність має явно виражений експонентний характер.
Дослідження залежності параметрів коливань від напруги Ua на АК показало, що тривалість імпульсу t2 = = t2.1 + t2.2, переднього t1 і заднього t3 фронтів, а також час затримки початку коливань t0 від моменту подачі напруги на АК для БІСПІН-структури від напруги на АК практично не залежать. Тоді як тривалість паузи між імпульсами t4 = = t4.1 + t4.2 і час затримки t0 для МТОП-структури залежать від напруги на АК. Причому на характер цих залежностей впливає режим p + -n-переходу. Крім того, в разі БІСПІН-структури, він різний для зразків різних партій.
На Малюнок 10-14 наведено залежності t0 (Ua) і t4 (Ua), а також t4.1 (Ua) і t4.2 (Ua), зняті для МТОП-структури при режимах розподіленого p + -n-переходу, що задаються Плазуни резистором (Rp-n = 20 кОм і Rp-n = 200 кОм) і генератором струму (Ip = 5 мкА і Ip = 50 мкА). Включення генератора струму здійснювалося одночасно з подачею напруги на АК.
Малюнок 10 - Залежності тимчасових інтервалів τ0, τ4, τ4.1, τ4.2 в структурах МТОП від напруги на АК Ua при Rp-n = 20 кОм
Малюнок 11-Залежності тимчасових інтервалів t0, t4, t4.1, t4.2 в структурах МТОП від напруги на АК Ua при Rp-n = 200 кОм
Малюнок 12-Залежності тимчасових інтервалів t0, t4, t4.1, t4.2 в структурах МТОП від напруги на АК Ua при Ip = 50 мкА
Малюнок 13-Залежності тимчасових інтервалів t0, t4, t4.1, t4.2 в структурах МТОП від напруги на АК Ua при Ip = 5 мкА
При таких же режимах були зняті залежності t4 (Ua) для зразків БІСПІН-структури 1-й партії (Малюнок 14).
Малюнок 14-Залежність тривалості паузи між імпульсами t4в структурах БІСПІН першої партії від напруги на АК Uaпрі різних режимах p + -n-переходу
При знятті залежностей t4 (Ua) для зразків 2-й партії використовувався тільки 2-й режим (Малюнок 15), оскільки, як було показано в 3.2, без підсвічування або подачі струму через p + -n-перехід НТ в таких зразках не виникає.
Малюнок 15-Залежність тривалості паузи між імпульсами t4в структурах БІСПІН другій партії від напруги на АК Uaпрі різних режимах p + -n-переходу
З малюнків видно, що при завданні режиму p + -n-переходу МТОП-структури Плазуни резистором всі перераховані тимчасові величини монотонно зменшуються з ростом Ua. При завданні режиму генератором струму t0 і t4.2 практично не залежать від Ua, а t4.1 і t4 при Ip = 50 мкА монотонно зростають, а при Ip = 5 мкА спочатку зростають, а при Ua> 9 В - зменшуються. Причому при обох режимах p + -n-переходу криві t0 (Ua) і t4.2 (Ua) збігаються, а t4.2 9 В убуває. При завданні режиму перемикаються резистором для зразків 1-й партії величина t4 монотонно убуває з ростом Ua.
Розглянемо можливі фізичні процеси, що визначають особливості виявлених залежностей. Для цього звернемося до моделі механізму виникнення НТ в структурах МТОП і БІСПІН, створеної на основі аналізу низькочастотної еквівалентної схеми структур (див. Малюнок 16) з урахуванням взаємного зв'язку процесів, що протікають в активному контакті і розподіленому p + -n-переході.
Малюнок 16 - Узагальнена еквівалентна схема структури з распределеннимp + -n-переходом
У момент подачі напруги на АК МТОП-структури падіння напруги на розподіленому опорі бази, викликане протіканням початкового струму АК Ia0 призводить до виникнення описаного вище бісмещенного стану розподіленого p + -n-переходу. Струм Ip через p + -n-перехід збільшує зсув його прямосмещенного частини, що викликає локальну инжекцию дірок з p + -області в розташовану під АК частина бази і їх накопичення в ній, а також і в ОПЗ АК, оскільки товщина бази багато менше дифузійної довжини дірок . Час перерозподілу заряду і накопичення дірок до концентрації, необхідної для розвитку НТ, відповідає проміжку t0 від моменту включення живлення до початку першого імпульсу струму через АК (ділянка 1 осцилограми). Накопичення дірок призводить до збільшення провідності ОПЗ АК і плавного зростання струму через нього.
Малюнок 17 - Осцилограми колебанійтока АК МТОП-структури
Перший етап процесу розвитку НТ в БІСПІН-структурі протікає інакше. Оскільки початковий струм ЛТ дуже малий і не викликає бісмещенное стан розподіленого p + -n-переходу, в останній момент одночасної подачі напруги на АК та струму через p + -n-перехід виникає пряме зміщення на всьому p + -n-переході і інжекція дірок з p + -області в базу. При цьому частина дірок потрапляє в колекторну область ЛТ, екстрагується в його p-базу і накопичуються в ній. Це призводить до зниження бар'єру емітерного n + -p-переходу і інжекції електронів з емітера в p-базу, після прольоту якої вони виявляються в n-області структури. Завдяки цьому виникає електричний струм, що протікає по n-області вздовж розподіленого p + -n-переходу до омічному контакту. Величина цього струму в Bл разів більше струму дірок (Bл - коефіцієнт передачі струму ЛТ): I а = bлIp.
Виник в наслідок цього падіння напруги на розподіленому опорі бази призводить до зниження потенціалу точки D (див. Малюнок 16). Оскільки потенціал p + -області внаслідок її високої провідності можна вважати незалежним від координати, то зсув на розподіленому p + -n-переході в напрямку вздовж нього змінюється. Пряме зміщення цього переходу під АК збільшується, а в іншої його частини спочатку зменшується, а потім повертається зворотним, т. Е. Виникає бісмещенное стан p + -n-переходу. В результаті знижується потенційний бар'єр, розташованої під АК, частини p + -n-переходу, що призводить до збільшення потоку дірок з p + -області в n-базу, а значить і в p-базу ЛТ. Величина протікає через нього струму при цьому зростає, а оскільки через наявність бар'єрної ємності p + -n-переходу потенціал p + -області змінюється повільніше, ніж потенціал точки D, це викликає ще більший перекіс в зміщенні p + -n-переходу. Внаслідок виникає позитивного зворотного зв'язку, процес розвивається лавиноподібно і призводить транзистор в насичення. Час перерозподілу заряду і накопичення дірок в p-базі до концентрації, необхідної для розвитку лавиноподібного процесу, відповідає проміжку t0 від моменту включення живлення до початку першого імпульсу струму через АК (ділянка 1 осцилограми). Накопичення дірок в p-базі призводить до збільшення провідності ЛТ і плавного зростання струму через нього, що підтверджується осцилограмою на Малюнок 17.
Таблиця 2 Розраховані і отримані експериментально значення тривалості паузи між імпульсами
Як випливає з результатів досліджень, розглянутих у цій главі, при аналізі нерівноважних електронних процесів в структурах з розподіленим p + -n-переходом з обома типами активних контактів необхідно враховувати взаємний вплив процесів, що протікають в активному контакті і розподіленому p + -n-переході.
Аналіз цих процесів, проведений на основі експериментальних даних, свідчить про необхідність врахування впливу протікання початкового струму АК уздовж розподіленого p + -n-переходу на висоту його бар'єру, внаслідок якого p + -n-перехід може перебувати в двох просторово розділених станах з протилежними рівнями зміщення ( бісмещенним стан).
Бісмещенное стан призводить до локальної інжекції дірок з p + -області в базу і їх накопичення поблизу АК. Це підтверджується дослідженням повного диференціального опору структур з розподіленим p + -n-переходом. Аналіз залежності диференціальної ємності від напруги на АК МТОП-структури показав, що концентрація дірок в ОПЗ АК може значно перевищувати концентрацію донорів. Накопичення дірок в базі БІСПІН-структури незначно і починає помітно впливати тільки при достатньо великому рівні локальної інжекції. Додатковим механізмом зростання диференціальної ємності є ефект динамічного множення ємності.
Накопичення дірок в базі структури з розподіленим p + -n-переходом в умовах відхилення від квазірівноваги призводить до виникнення позитивного зворотного зв'язку за струмом. Дослідження механізмів зв'язку з цим показало, що існує два механізми ПОСТ: перший обумовлений фізичними процесами в АК, другий - зміною рівня інжекції дірок з p + -області за рахунок зміни струму АК, що протікає по розподіленого опору бази при наявності множення струму на АК. Причому в БІСПІН-структурі другий механізм є переважаючим.
Наявність ПОСТ призводить до виникнення нестійкості струму, а процес зміни бар'єрної ємності розподіленого p + -n-переходу при протіканні струму по розподіленого опору бази сприяє її значного посилення. На відміну від МТОП-структури, різке зростання струму через АК БІСПІН-структури в процесі розвитку НТ пов'язано не з його тунельним пробоєм, а з лавиноподібним відкриванням ЛТ, обумовленим дією ПОСТ.
Тривалість t4 паузи між імпульсами, що визначає період коливань, і пов'язана з процесом накопичення дірок в базі після емісії електронів з АК, може бути визначена за часом зміни бар'єрної ємності p + -n-переходу.
2.2 Залежність повного диференціального опору структур з розподіленим p + -n-переходом від напруги на активному контакті
Для з'ясування можливості накопичення в ОПЗ дірок проводилося дослідження повного диференціального опору (ПДС). ПДС структур з обома типами АК вимірювалася мостовим методом, описаним в гл. 2. Вимірювання проводилися при різних режимах p + -n-переходу і частоті зондуючого змінної напруги f 0 = 4,5 кГц.
На Малюнок 18, 19 наведені залежності диференціальної ємності C д (CV-характеристики) і активної складової r д ПДС МТОП- і БІСПІН-структур від зворотного напруги на АК U а, зняті: 1) в режимі «обірваної» p + -області і 2) при замикання розподіленого p + -n-переходу опором R pn = 100 кОм.
Проаналізуємо наведені залежності. Як видно з Рисунок 21, залежно диференціальної ємності C д і диференціального опору r д МТОП-структури мають чотири характерних ділянки: 1 - ємність C д і опір r д зменшуються з ростом U а, 2 - ємність C д незначно зростає з ростом U а , а спадання r д кілька сповільнюється, 3 - емкостьC д і опір r д залишаються постійними, 4 - ємність C д зменшується до нуля, а опір r д різко зростає. Подальше збільшення напруги (на малюнку не показано) призводить до того, що реактивна складова ПДС структури змінює свій характер з ємнісного на індуктивний, і при деякому значенні U а виникає НТ.
Малюнок 18 - Залежності диференціальної ємності Cді диференціального опору rд структур МТОП від напруги на АК Ua без підсвічування n-області при різних режимах p + -n-переходу
При включенні Плазуни опору Rp-n спостерігається більш швидке зростання ємності на ділянці 2, збільшення ємності і зменшення опору на ділянці 3, а також зрушення вліво ділянок 3 і 4.
Малюнок 19 -залежних диференціальної ємності Cді диференціального опору rд структур БІСПІН від напруги на АК Ua без підсвічування n-області при різних режимах p + -n-переходу
З Малюнок 19 видно, що залежно диференціальної ємності Cді диференціального опору rд БІСПІН-структури істотно відрізняються від аналогічних залежностей для МТОП-структури. Так на CV-характеристиках БІСПІН-структури відсутня ділянку, на якому ємність Cд постійна, на початковій ділянці характеристики ємність зменшується значно повільніше, а протяжність цієї ділянки значно більше в порівнянні з аналогічним ділянкою CV-характеристики МТОП-структури, а вид ділянки, на якому спостерігається зростання ємності для зразків 2-й партії, не залежить від Плазуни опору.
Для зразків 1-й партії характерно різке збільшення ємності при величині напруги, що перевищує деяке значення, що збігається з напругою змикання Uсм ОПЗ колекторного переходу ЛТ і p + -n-переходу. Причому включення перемикає опору призводить до ще більш різкого зростання ємності, однак протяжність цієї ділянки значно зменшується, і в кінці його виникає НТ.
висновок
В ході проведеного дослідження особливостей електрофізичних характеристик транзисторних структур з розподіленим p + -n-переходом з різними активними контактами і з'ясування ролі розподіленого p + -n-переходу в нерівних процесах, що протікають в цих структурах, були отримані результати. Основні висновки за результатами досліджень можна сформулювати наступним чином.
Проведений аналіз вольт-амперних характеристик транзисторних структур з розподіленим р + -n-переходом і активними контактами двох типів (у вигляді МТОП і у вигляді локального n + -p-діода) показує, що їх особливості багато в чому обумовлені взаємним впливом процесів, що протікають в активному контакті і розподіленому p + -n-переході, а для пояснення виникнення нестійкості струму необхідно враховувати вплив протікання початкового струму активного контакту вздовж розподіленого p + -n-переходу на висоту його бар'єру. Встановлено, що розподілений p + -n-перехід знаходиться в двох просторово розділених станах з протилежними рівнями зміщення (бісмещенное стан).
Проведений аналіз вольт-амперних характеристик транзисторних структур з розподіленим р + -n-переходом і активними контактами (АК) двох типів (у вигляді МТОП і у вигляді локального n + -p-діода) показує, що їх особливості багато в чому обумовлені взаємним впливом процесів, протікають в АК та розподіленому p + -n-переході, а для пояснення виникнення змінного струму необхідно враховувати вплив протікання початкового струму АК уздовж розподіленого p + -n-переходу на висоту його бар'єру. Встановлено, що розподілений p + -n-перехід знаходиться в двох просторово розділених станах з протилежними рівнями зміщення (бісмещенное стан). А також досліджена залежність диференціальної повної провідності структур МТОП і БІСПІН від напруги на АК при різних режимах розподіленого p + -n-переходу.
метал транзисторний напівпровідник приміщення повинна бути захищена
Список використаних джерел
1Баришев М.Г. Фотоефект в епітаксіальної p + -n-структурі з n-областю змінної товщини і контактом тунельний оксид-метал / М.Г. Баришев, Б.С. Муравський, І.Л. Яман // ФТП. 1995. Т. 29. № 1. С. 91-95.
2Баришев М.Г. Дослідження електрофізичних характеристик органічних напівпровідникових плівок / М.Г. Баришев, Г.П. Ільченко, І.В. Сидоров // Известия вищих навчальних закладів. Фізика. 2007. № 6. С.80-83.
Константинов О.В. Умови існування повільних і швидких рекомбінаційних хвиль в напівпровідниках / О.В. Константинов, В.І. Перель, Г.В. Царенко // ФТП. 1976. Т. 10, вип. 8. С. 1576-1578.
Косман М.С. Виникнення коливань струму в кремнії при високих імпульсних напруг / М.С. Косман, Б.С Муравський // Фізика твердого тіла. 1961. Т. 3, № 11. С. 2504-2506.
Латишева А.П. Електричний транспорт в структурах з кремнієвими нанокристалами / А.П. Латишева, А.С. Гаврилюк // Збірник тез міжнародної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених з фундаментальних наук «Ломоносов-2006», МДУ, 14 квітня 2006 року М., 2006.
Муравський Б.С. і ін. Дослідження кінетики поверхнево-бар'єрної нестійкості струму / Б.С. Муравський, В.Г. Долуденко // Фізика і техніка напівпровідників. 1972. Т. 6, № 11. C. 2114-2122.
Баришев М.Г. Дослідження електрофізичних характеристик органічних напівпровідникових плівок /М.Г. Баришев, Г.П.Ільченко, І.В. Сидоров // Известия вищих навчальних закладів. Фізика. 2007. № 6. С.80-83.
Баришев М.Г.Фотоеффект в епітаксіальної p + -n-структурі з n-областю змінної товщини і контактом тунельний оксид-метал / М.Г. Баришев, Б.С. Муравський, // ФТП. 1995. Т. 29. № 1. С. 91- 95.
Баришев М.Г. Розмірні ефекти в шаруватих напівпровідникових структурах: дис. ... канд. фіз.-мат. наук. Краснодар, 1995.
Богданов В.Д. Пристрій для синхронного детектування АМ сигналів /В.Д. Богданов // Радіо. 1990. № 3. С. 53-55.
Богданович М.І. та ін. Цифрові інтегральні мікросхеми. Мінськ, 1991.
Булгаков С.С. БІСПІН - новий прилад мікроелектроніки /О.Д. Кнаб, С.С.Булгаков, А.П. Лисенко // Огляди з електронної техніки. Сер. 2, напівпровідникові прилади. 1990. Вип. 6. С. 53-77.
Ільченко Г.П. Використання Туннелістора і БІСПІНа для системи автоматичного управління технологічними процесами в сільському господарстві /Г.П. Ільченко, Б.С. Муравський, В.В. Магеровський // Електрифікація сільськогосподарського виробництва: зб. тр. КГАУ. Краснодар, 1995. С. 130-137.
Ільченко Г.П. Використання функціонального датчика з частотним виходом для контролю режимів обробки плодів і овочів /Г.П.Ільченко, Б.С. Муравський // Сучасні технології та обладнання в області переробки і зберігання сільськогосподарської продукції: зб. тр. КНІІХП. Краснодар, 1997. С. 68-72.
Кнаб О.Д. Застосування БІСПІН-структур /О.Д.Кнаб,С.С. Булгаков // Електронна промисловість. 1989. Вип. 9. C. 26-30.
Сидоров И.В. Використання ефекту нестійкості струму в тонких плівках аніліну розташованого на поверхні водного розчину фуксину для створення функціональних приладів / І.В. Сидоров, М.Г. Баришев, А.Н. Коржов // Сучасні наукомісткі технології. 2006. № 4. С. 92-93.
17Chiko K. Properties of a Shottky Barrier Transistor and the Carrier-Coupling Devices / K. Chiko, T. Suzuuky, J. Misushima // Procedeedings of the 4th Conference on Solid State Devices. Tokyo, 1972. P. 195-200.