WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7 Шум 1/ f в сильно легированном n-GaAs в условиях зона-зонной подсветки © Н.В. Дьяконова, М.Е. Левинштейн, F. Pascal, С.Л. Румянцев Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Centre d’Electronique et de Micro-optoelectronique de Montpellier, CNRS-Universite UMR 5507, Place Bataillon, 34095 U.M. II, Montpellier (Получена 21 ноября 1996 г. Принята к печати 1 декабря 1996 г.) С помощью измерения низкочастотного шума в условиях сильного геометрического магнетосопротивления исследована природа шума 1/ f, проявляющегося в сильно легированном n-GaAs (концентрация электронов n0 1017 см-3) при зона-зонной подсветке. Показано, что такой шум имеет объемную природу и обусловлен флуктуациями числа носителей (а не подвижности). Впервые экспериментально показана возможность отличать поверхностный шум от объемного, используя измерения в условиях сильного геометрического магнетосопротивления.

1. Введение спектральной плотности шума S( f ) становится практически такой же, как и при T > 500 K.

Низкочастотный шум типа 1/ f в сильно легированМеханизм влияния зона-зонной подсветки на низкочаном n-GaAs (концентрация электронов n0 > 1017 см-3) стотный шум подробно проанализирован в обзоре [8] в исследовался в целом ряде работ (см., например, [1–7]).

рамках модели шума 1/ f в полупроводниках, предложенС практической точки зрения интерес к такого рода исной в работе [10]. В модели предполагается, что шум 1/ f следованиям обусловлен тем, что сильно легированный обусловлен флуктуациями заселенности уровней, форGaAs используется в качестве канала современных помирующих хвост плотности состояний вблизи границы левых транзисторов. С физической точки зрения исслезапрещенной зоны полупроводника. Модель, предложендования низкочастотного шума в сильно легированных ная в [10], позволила объяснить целый ряд явлений, полупроводниках позволяют проанализировать относисвязанных с шумом 1/ f в Si, GaAs и SiC [8]. Модель тельный вклад двух основных механизмов флуктуаций качественно объясняет влияние зона-зонной подсветки в твердых телах: флуктуаций числа носителей, домина низкочастотный шум: характер изменения шума при нирующих в слабо легированных полупроводниках (см.

освещении, а также немонотонную зависимость шума обзор [8]), и флуктуаций подвижности, доминирующих в от интенсивности подсветки. Однако, в соответствии металлах [9].

с моделью [10], при достаточно сильной подсветке на В работе [5] низкочастотный шум в n-GaAs с низких частотах анализа спектральная плотность шума n0 2 · 1017 см-3 был исследован в широком диападолжна быть независимой от частоты, а при высоких зоне температур, 80560 K, и в условиях зона-зонной частотах — падать обратно пропорционально квадрату подсветки. Было показано, что при высокой температуре, частоты f. Между тем эксперимент показывает [5], T > 500 K, зона-зонная подсветка не оказывает практичто в условиях, когда исходный шум подавлен зоначески никакого влияния на низкочастотный шум во всем зонной подсветкой, проявляется новый механизм шума.

частотном диапазоне 20 Гц 20 кГц.

Этот новый механизм шума характеризуется тем, что В области низких температур, 80 < T < 150 K, коэффициент для него равен 1 (фликкер-шум), никачрезвычайно слабая подсветка, соответствующая кое дальнейшее повышение интенсивности подсветки не /0 < 10-3 (0 — равновесная проводимость, — влияет на шумовой спектр, уровень шума очень слабо фотопроводимость) повышает уровень шума на зависит от температуры в очень широком температурном порядка. При дальнейшем увеличении интенсивности интервале (80550 K).

подсветки уровень шума продолжает расти в области В настоящей работе с помощью измерения низкочавысоких частот, а в области низких частот достигает стотных флуктуаций в условиях сильного геометричемаксимума и затем понижается. При достаточно ского магнетосопротивления исследована природа шусильной подсветке (соответствующей тем не менее ма 1/ f, наблюдавшегося в сильно легированном GaAs уровню /0 0.1) частотная зависимость шума в в условиях зона-зонной подсветки.

области низких температур (T 80 K) практически совпадает с частотной зависимостью шума в области высоких температур (T > 500 K). 2. Условия эксперимента В области промежуточных температур, T 300 K, зона-зонная подсветка подавляет шум в области низких Идея исследования природы шума с помощью измеречастот и повышает в области высоких. И снова, при ний в условиях сильного геометрического магнетосопродостаточно сильной подсветке частотная зависимость тивления была предложена в работе [11] и использована Шум 1/ f в сильно легированном n-GaAs в условиях зона-зонной подсветки впоследствии в работах [12–14]. Сильное геометри- В эксперименте использовались эпитаксиальные ческое магнетосопротивление возникает в поперечном образцы n-GaAs с концентрацией электронов току магнитном поле в условиях, когда холловская эдс n0 (12) · 1017 см-3. Величина подвижности µотсутствует, т. е. в образцах с малым отношением дли- при 300 K лежала в пределах 0.33 µ0 0.5м2/В · с.

ны L к ширине d (L/d 1) [11,14] или в образцах, Максимальная индукция B составляла B = 2Тл.

имеющих форму диска Карбино [12]. В таких условиях, Таким образом, максимальная ожидаемая величина как известно (см., например, [15]), подвижность (µ) в геометрического магнетосопротивления R/R составляла 0.43 R/R 1.08. Максимальное присутствии магнитного поля B связана с подвижностью ожидаемое уменьшение шума в случае флуктуаций (µ0) при B = 0 соотношением подвижности в соответствии с выражением (2) должно µбыло бы составить 6.5 раз для образцов с минимальной µ =. (1) 1 +(µ0B)подвижностью. При максимальной подвижности µ 0.5м2/В · с можно было бы ожидать полного Если предположить, что шум обусловлен флуктуацияподавления шума. Максимальное увеличение шума при ми подвижности µ0, то из выражения (1) легко устанофлуктуациях числа носителей и поверхностном шуме вить связь между амплитудой флуктуаций подвижности в соответствии с выражением (4) могло составить от в присутствии магнитного поля µ и значением µ0 [11]:

3.1 до 6.7 дБ. Точность измерения шумов составляла 2 ±0.75 дБ.

µ 1 - (µ0B)2 2 µ0 =. (2) Исследовались образцы трех типов. Образцы типа µ (1 + µ0B)2 µбыли полностью аналогичны образцам, исследованным в работе [5]. Они представляли собой полевые транзистоИз выражения (2) видно, что при µ0B = 1 флуктуации ры на основе GaAs с барьером Шоттки (MOSFET) с длиподвижности µ0 вообще не вызывают флуктуаций µ.

ной затвора L = 1 мкм и шириной затвора d 200 мкм, Таким образом, используя значения магнитного поля B, т. е. отношение L/d составляло 5 · 10-3. Толщина отвечающие условию µoB 1, можно отличить флуктуканала h0 = 0.10.2 мкм, концентрация электронов ации сопротивления, обусловленные флуктуациями поn0 (13) · 1017 см-3.

движности, от шума, вызванного флуктуациями числа Струкутры типов 2 и 3 представляли собой коммерносителей. Сильное уменьшение шума при µ0B ческие полевые транзисторы. Структуры типа 2 — СВЧ свидетельствует в пользу флуктуаций подвижности. Отполевые транзисторы на GaAs с барьером Шоттки фирсутствие зависимости уровня шума от магнитного поля мы NEC. Длина затвора L 1 мкм, ширина затвора можно естественным образом объяснить исходя из предd 100 мкм, L/d 10-2. Керамический корпус посылки о флуктуации числа носителей, не зависящих от транзистора прозрачен для света с длиной волны, сомагнитного поля.

ответствующей переходу зона-зона в GaAs (энергия Кроме того, как отмечено в [11], измерения в услоh 1.4эВ). Полевые транзисторы типа 3 имели виях сильного геометрического магнетосопротивления длину затвора L 12 мкм, ширина затвора составляла позволяют отличить поверхностный шум от объемного.

d = 55 мкм, L/d 0.020.04.

Действительно, поверхностный шум обычно описывается эквивалентной схемой, в которой ”шумящее” поверхностное сопротивление RS включено параллельно с иде- 3. Результаты эксперимента альным (не шумящим) объемным сопротивлением RV.

и обсуждение При этом RS RV. Величина RS от магнитного поля не зависит. Величина RV изменяется в поперечном маг- Для всех исследованных структур зависимость R/R нитном поле в соответствии с известным соотношением от магнитного поля B измерялась при различных значе(см., например, [16]) ниях тока сток–исток IDS. Во всех случаях зависимость в координатах R/R — B2 была линейной. ПодвижRV ность µ0, рассчитанная по формуле (3), несколько зави=(µ0B)2. (3) RV села от значения IDS. При этом зависимость µ0(IDS) была различной для различных образцов. При очень малых Таким образом, в магнитном поле относительно значениях IDS в случае не вполне омических контактов большая доля тока проходит через шумящее поверх ностное сопротивление RS (объемное сопротивление RV значение µ0 было относительно мало и повышалось с ростом плотности тока сток–исток. Так, для образцов в меньшей степени шунтирует поверхностное). Легко типа 2 µ0 0.33 м2/В · с при токе сток–исток на показать исходя из такой эквивалентной схемы, что от1 мм затвора iDS = 7.5мА и µ0 0.43 м2/В · с носительная спектральная плотность шума в магнитном при iDS = 34 мА. При полном отсутствии барьерной B поле (SU/U2) связана со спектральной плотностью шума нелинейности на истоковых и стоковых контактах вев отсутствие магнитного поля (SU/U2) соотношением личина подвижности µ0 максимальна уже при очень B малых токах IDS. С ростом IDS величина µ0 слегка SU SU = 1 +(µ0B)2 2. (4) понижалась, отражая, по-видимому, переход к режиму U2 UФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 860 Н.В. Дьяконова, М.Е. Левинштейн, F. Pascal, С.Л. Румянцев типа 3. Значение µ0 0.52 м2/В · с хорошо согласуется с теоретической оценкой холловской подвижности электронов в n-GaAs с концентрацией электронов n0 2 · 1017 см-3 и низким уровнем компенсации [16].

Величина µ0 0.4м2/В · с в соответствии с оценками работы [16] свидетельствует об уровне компенсации, отвечающем условию (ND - NA)/(ND + NA) 0.5.

Для всех образцов перед измерениями в магнитном поле снимались частотные и температурные зависимости относительной спектральной плотности шума SI/I2.

Для образцов типа 1 наблюдавшиеся зависимости (рис. 2) полностью совпадают с результатами, описанными в кратком сообщении [5]. При высокой температуре T = 540 K зона-зонная подсветка не оказывает никакого влияния на шум. В соответствии с теорией [10] такая Рис. 1. Зависимость относительного изменения сопротивле- ситуация возникает вследствие того, что уже в темноте ния образцов (R/R0) от квадрата магнитной индукции. Номер уровни, формирующие хвост плотности состояний, опукривой соответствует типу образца.

стошены при высокой температуре за счет теплового выброса электронов в зону проводимости. Возникновение в результате зона-зонной подсветки дырки не приводят к изменению заселенности уровней в хвосте.

При T = 88 и 239 K (рис. 2, a, b) темновой шум имеет вид зависимости SI 1/ f, где 1.5. Природа такого вида зависиости SI( f ) обсуждалась в работе [17].

При достаточно сильной подсветке (рис. 2, a, кривая и рис. 2, b, кривая 2) частотные зависимости относительной спектральной плотности флуктуаций близки к виду SI 1/ f (фликкер-шум). При максимальной подсветке зависимости SI( f ) весьма близки для всех трех температур.

Влияние зона-зонной подсветки на спектральную плотность шума в образцах типа 2 носит качественно иной характер (рис. 3). Кривая 1 рис. 3 следует зависимости 1.SI 1/ f в области частот f 150 Гц. В области более Рис. 2. Частотные зависимости спектральной плотности шума (SI/I2) для образцов типа 1 при трех различных температурах T и различных уровнях подсветки J/J0. Сплошные кривые — темновой шум, штриховые — шум в условиях зоназонной подсветки. a: T = 88 K; J/J0 = 5 · 10-8 (1), 10-4 (2), 1 (3). b: T =293 K; J/J0 = 5 · 10-3 (1) и 1 (2). c: T =540 K;

J0 = 5 · 1018 см2 · с-1.

насыщения даже при значениях IDS, соответствующих видимому линейному участку зависимости IDS(UDS). Так, для образцов типа 1 µ0 0.4м2/В· с при IDS = 3мА и µ0 0.35 м2/В · с при IDS = 25 мА.

На рис. 1 показаны зависимости R/R от B2 для образцов всех трех типов при значениях IDS, приблизительно соответствующих максимальным значениям µ0.

Значения µ0, рассчитанные из приведенных зависимоРис. 3. Частотные зависимости спектральной плотности стей в соответствии с выражением (3), составляют шума SI/I2 для образцов типа 2 в темноте (1) и в услоµ0 0.41 м2/В·с для образцов типа 1, µ0 0.43 м2/В·с виях зона-зонной подсветки с максимальной интенсивностью для образцов типа 2 и µ0 0.52 м2/В · с для образцов J/J0 = 1 (2). T = 300 K. Прямые — зависимости 1/ f и 1/ f.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Шум 1/ f в сильно легированном n-GaAs в условиях зона-зонной подсветки низких частот ход зависимости SI( f ) близок к закону SI 1/ f. При подсветке уровень шума монотонно растет во всей области частот. Как видно из рис. 3, освещение с интенсивностью J/J0 = 1 увеличивает уровень шума на 30 дБ (в 1000 раз) в области низких частот ( f 20 Гц). В области высоких частот ( f 10 кГц) возрастание составляет 20 дБ. Меняется и характер зависимости SI( f ). В области частот f 80 Гц SI 1/ f. В области более низких частот обнаруживается очевидная тенденция к насыщению. Таким обраРис. 5. Зависимость относительной спектральной плотности зом, в условиях сильной подсветки зависимость SI( f ) шума (SI/I2) от индукции магнитного поля B для образцов соответствует классическому лоренциану с характерным типа 1. 1 — экспериментальные данные, 2 — расчет по значением = 1/ f0 0.012 с. При n0 = 2 · 1017 см-3 формуле (2) при µ0 = 0.41 м2/В · с.

и тепловой скорости электронов в GaAs при 300 K vt 4.5 · 107 см/с такое соответствует сечению захвата уровня для электрона =(n0v )-1 2 · 10-21 см2.

вается с зависимостью 2, рассчитанной в соответствии с Заметим, что сильное увеличение шума выражением (2) для значения µ0 = 0.41 м2/В · с. Экспе( 30 дБ) под влиянием подсветки наблюдалось в римент показывает, что ни в темноте, ни при подсветке эпитаксиальных пленках n-GaAs с уровнем легирования относительная спектральная плотность шума не зависит ND - NA 1015 см-3 в работе [18]. Вопрос о от индукции магнитного поля при любой частоте анализа природе наблюдавшегося эффекта (поверхностный в исследованном диапазоне 20 Гц 20 кГц. Характер или объемный) не обсуждался.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.