Температурно-электрическая неустойчивость (ТЭН) в полупроводниковых монокристаллах

Нелинейность вольт-амперной характеристики (ВАХ) является характерной чертой не только многих полупроводниковых приборов, в которых п-н-переходы, но и многих полупроводников [1]. В последнем случае, если исключить особенности, связанные с контактными явлениями, она чаще всего обусловлено эффектами сильных полей. Ведь в сильных полях наблюдается зависимость подвижности от величины поля до насыщения скорости, отрицательная дифференциальная подвижность (эффект Ганна), ударная йонизация и пробой. Однако и в слабых электрических полях возможно проявление нелинейности ВАХ [2].

Значительный интерес представляют исследования нелинейных ВАХ не только в приборах, но и в материалах, поскольку они имеют как прикладное значение, так и дают возможность объяснить с физической точки зрения причины проявления нелинейности. Кроме того, на нелинейность ВАХ сильно влияют разнообразные внешние воздействия: магнитное поле, механическая деформация, освещения, изменение температуры и др.

В материалах полупроводников отрицательная дифференциальная проводимость обусловливает доменную электрическую неустойчивость N-типа [3] или ВАХ S-типа. Причиной нелинейности ВАХ могут быть как полевые эффекты [4], так и тепловое воздействие тока [5]. Однако возможно механизм термопольовои йонизации примесных центра, т.е. комбинированный тип термической и полевой йонизации [6]. Существуют прямой и каскадный механизмы термопольовои йонизации из основного состояния уровня за первый возбужденный уровень в зону проводимости. Зависимость вероятности йонизации примесных центра в полупроводниковые от напряженности приложенного электрического поля изменяет его ВАХ так, что становятся заметными отклонения от закона Ома.

Интересен механизм проявления S-подобия ВАХ в сильнолегованих и одновременно компенсированных полупроводниках [7]. При низких температурах и больших степенях компенсации (выше 75%) электроны находятся в изолированных каплях, и электро-проводимость такого материала очень низкая. Электрическое поле "греет" электронную подсистему и резко увеличивает заселенность состояний с большой подвижностью. Это и приводит к появлению отрицательного дифференциального сопротивления. Такое явление аналогично теплового пробоя. Но в этом случае нагревается только электронная подсистема, а температура решетки остается неизменной. Поэтому исследуемое явление можно назвать тепловым пробоем электронных капель. Если же степень компенсации материала меньше 75%, ВАХ не будет иметь S-образного характера, поскольку энергия активации возникает только при больших степенях компенсации. Следует добавить также, что в этом случае критическое электрическое поле сильно увеличивается с ростом степени компенсации.

Не только тепловой пробой или комбинированная термопольова йонизация приводят к возникновению участков ВАХ с отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП). В электронном германии с примесями меди или золота наблюдается явление увеличения коэффициента захвата горячих носителей на отрицательно заряженные примесные центры. Это явление эффективно проявляется в условиях световой генерации носителей [3] и обусловливает участок ВАХ с СвДП.

Дискретные метастабильные состояния (высокоомный и низкоомное) наблюдаются как в моноатомних, так и сложных полупроводниковых соединениях [8]. Под действием электрического поля стехиометрические нитевидные монокристаллы Sb2S3 переключаются с высокоомного в низкоомное состояние. Эксперимент показывает, что названный эффект вызван изменением полупроводниковой проводимости на металлическую и связан с нагревом кристалла в момент действия электрического поля. Кристаллы со стабильного низкоомных положения в высокоомный состояние возвращаются под воздействием сильного высокочастотного или сверхвысокочастотного полей или нагревания.

В сложных полупроводниковых монокристаллах селенида цинка, сульфида кадмия, селенида кадмия и др. в условиях ТЭН экспериментально зафиксированы колебания тока [9, 10]. В области азотных температур в монокристаллах селенида кадмия получены зависимости периода колебаний от освещенности образца, приложенного напряжения, температуры образца, а также температурные зависимости амплитуды колебаний. Колебания существуют только в определенной области температур и освещенностей. Их причиной является возникновение осцилюючои во времени, но неподвижной области сильного электрического поля и повышенной температуры. Повышение температуры, конечно, в средней части кристалла, в результате джоулевого нагрева обуславливает эффект температурного гашения фотопроводимости. Если интенсивность этого процесса достаточно велика, то у образца возникает область сильного электрического поля. Тогда ВАХ такого образца имеет участок с СвДП. В упомянутой области электрическое поле и температура периодически меняются, вызывая в кругу колебания тока. Сама же неустойчивость обусловлена возникновением неравновесного распределения электронов вследствие оптической перезарядки уровней с последующим спонтанным переходом в состояние равновесия.

Однако и в моноатомних полупроводниках с глубокими уровнями также наблюдаются низкочастотные колебания тока в условиях ТЭН [11-13]. В сильно компенсированных образцах (р-Si с примесями марганца) динамика ТЭН становится значительно сложнее [14] вплоть до перехода к динамическому хаосу и автоколивнои бистабильности. Переход от регулярных автоколебаний фототока к хаотическим осуществляется через цепочку бифуркаций удвоения периода колебаний. Автоколебания тока, кроме того, проявляют свойство гистерезиса.

В сильнокомпенсованому полупроводниковые в условиях электронно-дырочного плазмы возможно возбуждение электрической неустойчивости типа рекомбинационных волн [15]. При сильных уровнях инжекции возникает существенно отлична от типа рекомбинационных волн градиентные-концентрационная неустойчивость. Режим неустойчивости типа рекомбинационных волн является ничем иным, как режимом волн пространственной перезарядки глубоких уровней [16], которая может быть обусловлена действием температуры, освещения или электрического поля.

Отрицательный сопротивление образца сам по себе еще недостаточный фактор для появления колебаний. Однако колебания нужных частот могут возникать, если в кристалле есть две различные типы центров захвата [17].

Благодаря учетом вышеприведенных литературных данных, можно утверждать, что необходимым условием возникновения температурно-электрической неустойчивости в полупроводниках является наличие в их запретной зоне глубоких энергетических уровней. Йонизация этих уровней различными способами (освещением, электрическим полем, температурными изменениями или комбинированным способом) дает возможность получить S-образную ВАХ полупроводника и низкочастотные колебания тока как в низькопровидному, так и високопровидному состояниях. Поэтому, очевидно, любое внешнее воздействие на изменение положения энергетического уровня в запрещенной зоне должен существенным образом отразиться на характере поведения ВАХ. Hас интересовал влияние одноосевой упругих деформаций (ОПД) на ВАХ монокристаллов антимониду кадмия.

Использованные монокристаллы антимониду кадмия с примесью теллура, которая в запретной зоне дает уровень Эс — 0,12 эВ, исследовались в трех криогенных средах (жидкий азот Т = 77К, жидкий аргон Т = 87К и жидкий кислород Т = 90К) в условиях влияния освещения и ОПД. На рис. 1 представлены статические ВАХ монокристаллов СdSb с различным содержанием легирующих примеси теллура. Как видно, увеличение концентрации легирующих примеси обуславливает рост напряжения переключения. Наоборот, повышение температуры среды от Т = 77 К до Т = 90К резко уменьшает напряжение переключения (рис.2).

Кроме того, зафиксировано сильную зависимость порогового напряжения переключения от интенсивности светового потока. С увеличением интенсивности светового потока ток растет, а напряжение переключения уменьшается.

Интересной особенностью воздействия светового потока на ВАХ является то, что в высокоомным состоянии зависимость фототока от интенсивности освещения имеет линейный характер, а после скачка тока — нелинейный. Высокая светочувствительность образцов наблюдается в спектральной области длин волн 1 — 3 мкм с максимумом при 2,04 мкм.

Мы исследовали влияние ОПД до давлений 1000 кгс/см2 на ВАХ антимониду кадмия вдоль главных кристаллографических направлений [А00], [0в0] и [00С] в области азотных температур.

Эксперименты доказали, что такие давления во всех вышеперечисленных случаях практически не влияют на параметры температурно-электрической неустойчивости. Это означает, что такое действие не меняет величины энергетической щели между уровнем Эс — 0,12 эВ и дном зоны проводимости монокристалла СdSb. Поэтому вполне правомерно в данном случае сделать вывод о чрезвычайно сильный генетическую связь названного энергетического уровня с зоной проводимости. Такому характеру реакции уровня на влияние ОПД способствует также и тот факт, что низшая степень симметрии орторомбическая решетки CdSb по сравнению со структурами кубической сингонии позволяет значительно сильнее проявиться объемной компоненте деформации. А последняя, которая всегда присутствует при ОПД, одинаково действует как на движение уровня, так и на движение зоны. Иными словами, объемная деформация менее эффективно влияет на изменение положения энергетических уровней в материалах, чем ОПД [18].

Итак, в монокристаллах CdSb с примесью теллура на эффект переключения из высокоомного состояния в низкоомное влиять одноосевой упругой деформацией невозможно.

Литература

Зеегер К. Физика полупроводников. М.: Мир, 1977, 616 с.

Аитов Р.Д., Ржевкин К.С., Ткачев С.А. / / ФТП, 1991, 25, в.5, с.904-907.

Курова И.А., вран М., БерндтП. / / ФТП, 1968, 2, в.12, с.1838—1841.

Вран М., Курова И.А. / / ФТП, 1969, 3, в.12, с.1774 -1780.

Доскоч В.П., Панкевич З.В., Раренко И.М. и др. / / Изв.вузов. Физика. 1989, в.4, с.108-109.

Чебан А.Г., Катана П.К. / / ФТТ, 7, в.9, с.2735—2739.

Шкловский Б.И., Шур М.С., Эфрос А.Л. / / ФТП, 1971, 5, в.10, с.1938.

Аудзионис А.И., Григас И.П., Карпус А.С. / / ФТТ, 1970, 12, В.1, С.146.

Калашников С.Г., Падо Г.С., Пустовойт В.И. и др. / / ФТП, 1969, 3, с.1028—1035.

Калашников С.Г., Пустовойт В.И., Падо Г.С. / / ФТП, 1970, 4, в.7, с.1255—1261.

Бахадырханов М.К., Камилов Т.С. / / ФТП, 1976, 10, в.4, с.760 -761.

Бахадырханов М.К., Закриллаев И.Ф. / / ФТП, 1984, 18, в.12, с.2220—2221.

Бахадырханов М.К., Аскаров Ш.И., Нигманходжаев С.С. / / ФТП, 1987, 21, в.7, с.1315—1317.

Голик Л.Л., Гутман М. М., Паксеев В.Е. и др. / / ФТП, 1987, 21, в.8, с.1400—1403.

Карпова И.В., Сыровегин С.М. / / ФТП, 1982, 16, в.9, с.1601—1605.

Чистохин А.В. / / ФТП, 1992, 26, в.9, с.1529—1535.

Курова И.А., Калашников С.Г. / / ФТТ, 1963, 5, в.11, с.3224—3230.

Бир Г.Л., Пикус Г.Е. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках. — М.: Наука, 1972. — 584 с.