WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 9 Междолинное перераспределение электронов при низких температурах и магнитодиодный эффект © А.А. Абрамов¶, И.Н. Горбатый Московский государственный институт электронной техники (Технический университет), 103498 Москва, Россия (Получена 2 декабря 2002 г. Принята к печати 17 декабря 2002 г.) Представлены результаты измерений вольт-амперных характеристик кремниевых p-i-n-структур в поперечном к току магнитном поле при температуре 77 K. Особенности вольт-амперных характеристик и магниточувствительности при низких температурах объяснены суперпозицией анизотропных размерных эффектов, вызванных силой Лоренца и междолинным перераспределением электронов. Это перераспределение в свою очередь может быть следствием либо полевого разогрева электронов (эффект Сасаки) в объеме полупроводника, либо нарушением вблизи поверхности полупроводника взаимной компенсации поперечных потоков электронов, принадлежащих разным долинам.

В p-i-n-структуре, помещенной в поперечное к то- при T = 300 K. На лицевой стороне пластин ионным ку магнитное поле (B J, B — вектор индукции легированием создавались n+- и p+-области, расстоямагнитного поля, направленный вдоль оси z, J — ние между которыми составляло w = 300-800 мкм.

вектор плотности тока, направленный вдоль оси x), Эти области образовывали n+-p- и p+-p-переходы, отклонение носителей заряда силой Лоренца к той или обеспечивающие двойную инжекцию в соответствуиной боковой поверхности p-i-n-структуры вызывает ющих n+-p-p+-структурах. ВАХ измерялись при магнитодиодный эффект, выражающийся в зависимоT = 77-300 K в различных магнитных полях. Магнитсти J(B). Если скорости поверхностной рекомбинации ное поле Bz B, параллельное поверхности пластины (СПР) S+ и S- на холловских гранях i-области (при p p и перпендикулярное линиям тока, воздействовало в двух y ± d) различны, то при комнатных температурах магнаправлениях: при B < 0 носители заряда отклонялись ниточувствительность (МЧ) в слабом магнитном поле магнитным полем к лицевой стороне пластины (y = d), обычно бывает полярной ( J/ B имеет разные знаки при B > 0 — в противоположную сторону (y = -d).

при B > 0 и B < 0) [1–3]. Токовая МЧ положительна Для предотвращения разогрева полупроводникового об( J/ B > 0), когда магнитное поле отклоняет носители разца использована импульсная методика измерений.

заряда от поверхности с высокой СПР и поджимает Отметим следующие особенности этих ВАХ. Во-перих к поверхности с низкой СПР. В этом случае при достаточно малых значениях |Ex B| (E —вектор напря- вых, при B = 0 ВАХ имеет явно выраженный сублинейный участок. Во-вторых, необычен характер магниточуженности электрического поля) увеличение магнитного поля приводит к уменьшению среднего по сечению тем- вствительности при B < 0. В отличие от ситуации, па рекомбинации носителей заряда, что и обусловливает имеющей место при комнатных температурах, здесь рост инжекционного тока. Однако при дальнейшем уве- полярная МЧ возникает только при достаточно больших личении |ExB| происходит такая сильная аккумуляция напряжениях. Этот эффект обсуждался в работе [8], но носителей заряда у поверхности с низкой СПР, что средний темп рекомбинации возрастает и ток начинает убывать с ростом магнитного поля. В результате полярность МЧ пропадает. Такой магнитодиодный эффект хорошо объясняется в рамках дрейфовой теории [1,4–6].

При азотных и гелиевых температурах в p-i-nструктурах, изготовленных из многодолинных полупроводников (типа Ge и Si), наблюдается ряд особенностей магнитодиодного эффекта [7,8]. На рис. 1 приведеныэкспериментальные вольт-амперные характеристики (ВАХ) кремниевой n+-p-p+-структуры при 77 K. Исследованные структуры имели такую же конструкцию, как и в работе [8]. Образцы формировались на ориентированных в плоскости (111) пластинах чистого кремния p-типа проводимости толщиной 2d = 200-400 мкм Рис. 1. Экспериментальные вольт-амперные характеристики с удельным сопротивлением 20 кОм · см и объемкремниевой n+-p-p+-структуры при различных магнитных ным временем жизни носителей заряда 500 мкс полях при T = 77 K. B, Тл: 1 — 0, 2 — 0.05, 3 — 0.19, ¶ E-mail: gpd@gf.miee.ru 4 — (-0.05), 5 — (-0.125), 6 — (-0.19), 7 — (-0.63).

Междолинное перераспределение электронов при низких температурах и магнитодиодный эффект его можно увидеть уже на ВАХ германиевых структур, градиентом электронной температуры. Задачи определеисследованных при T = 77 K в 1968 г. в работе [7]. ния концентраций электронов и температур в различных В работе [8] были высказаны предположения о том, долинах являются взаимосвязанными и для их решения что низкотемпературные особенности ВАХ и МЧ необходимо знать температурные зависимости релаксаp-i-n-структур могут быть связаны: ционных, рекомбинационных и транспортных коэффици1) с междолинным перераспределением электронов ентов, относительно которых в настоящее время суще(МДПЭ) вблизи поверхностей полупроводниковой пла- ствует весьма ограниченная информация. Поэтому далее стины, при анализе ВАХ p-i-n-структуры при одновременном 2) с МДПЭ из-за полевого разогрева электронного учете эффекта Сасаки и силы Лоренца ограничимся газа (эффект Сасаки). Обсудим эти предположения. упрощенным анализом. Цель его — на количественном Впервые приповерхностное МДПЭ исследовано в ра- уровне выявить особенности ВАХ p-i-n-структуры боте [9,10] сначала для монополярного [9], а затем в условиях, когда анизотропия проводимости обусловлеи для биполярного случая (при однородной фотогене- на как полевым разогревом носителей заряда, так и их рации) [10]. Из-за того что поверхности полупровод- отклонением внешним магнитным полем.

никового слоя ограничивают поперечный к току ани- Анализ ВАХ и МЧ проведем с использованием понязотропный дрейф электронов, принадлежащих разным тия эффективного времени жизни носителей заряда eff, долинам, у поверхности полупроводника концентрация которое можно ввести при некоторых предположениях электронов в одних долинах увеличивается, а в других во многих конкретных моделях токов двойной инжекции.

уменьшается. Следствиями такого приповерхностного Так, в дрейфовом режиме ВАХ p-i-n-структуры J(U) МДПЭ в биполярном полупроводнике являются [10]:

определяется с помощью величины eff следующими а) увеличение эффективной скорости поверхностной уравнениями:

рекомбинации, Ew б) анизотропия проводимости приповерхностных слоев полупроводника, толщина которых зависит от напряwJ = eµnµp(nT - pT ) eff Ex dEx, женности электрического поля и скоростей междолинной релаксации.

Ew В работе [11] выполнено обобщение результатов работы [10] на случай p-i-n-структур с двойной инжекцией, UJ = eµnµp(nT - pT ) eff Ex dEx, (1) а в [12] наряду с инжекцией и приповерхностным МДПЭ учтено также отклонение носителей заряда внешним где U —напряжение, pT и nT — равновесные концентрамагнитным полем. Выполненные в [12] расчеты показации дырок и электронов в i-области, µp,n — их подвижли, что приповерхностное МДПЭ действительно может ности, Ew = Ex (w). Для случая, когда несущественны привести к ВАХ и МЧ, аналогичным тем, которые МДПЭ и полевой разогрев носителей, для эффективного изображены на рис. 1 и наблюдались ранее [7,8]. Однако следует заметить, что для этого требуются весьма спе- времени жизни удается достаточно строго получить выражение, определяющее зависимость eff от толщины циальные условия на поверхностях полупроводниковой пластины, которые вряд ли имели место в эксперимен- полупроводникового образца, времени жизни носителей заряда, скоростей поверхностной рекомбинации, электальных образцах [7,8]. Кроме того, оценки показывают, трического и магнитного полей (см., например, [5,6]).

что в обсуждаемых экспериментах безусловно имел При равных скоростях поверхностной рекомбинации место полевой разогрев электронного газа, который не S+ = S- хорошей аппроксимацией для eff является учитывался в теории [12].

p p В условиях полевого разогрева носителей заряда про- выражение водимость многодолинного полупроводника, как извест- eff eff =, (2) но, становится анизотропной (эффект Сасаки [13,14]).

1 +(Ex/EB)Эта анизотропия проводимости связана с междолинным перераспределением носителей заряда, вызываемым раз- где eff — эффективное время жизни при B = 0, а характерное поле EB обратно пропорционально индукции личным разогревом электронов электрическим полем магнитного поля (EB 1/B).

в разных долинах. При полевом разогреве электронного газа теоретический анализ токов двойной инжекции При учете приповерхностного МДПЭ (в отсутствие становится весьма сложным. Кинетические и релаксаци- полевого разогрева электронов) выражение для eff онные параметры полупроводника в этом случае зависят оказывается зависящим также от времен междолинной от температуры электронного газа, которая в свою релаксации в объеме и скоростей релаксации на поочередь определяется электрическим полем. Поскольку верхности полупроводника; это выражение в некоторых при двойной инжекции поле E не однородное, возникает предельных случаях также может быть аппроксимировапространственная зависимость кинетических и релакса- но приближенными выражениями по типу формулы (2) ционных параметров полупроводника, и в уравнениях (см. [12], где приведены конкретные выражения для eff, непрерывности появляются слагаемые, обусловленные а также результаты некоторых расчетов).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1080 А.А. Абрамов, И.Н. Горбатый напряжения начинает проявляться анизотропия Сасаки.

В результате поперечного анизотропного дрейфа носители заряда аккумулируются вблизи одной из боковых поверхностей образца и интенсивно рекомбинируют.

Эффективное время жизни с ростом напряжения уменьшается, зависимость тока от напряжения становится более пологой (сублинейной).

Магнитное поле также приводит к приповерхностной аккумуляции электронно-дырочной плазмы. Причем при смене направления вектора индукции на противоположное меняется на противоположное и направление лоренцовского дрейфа. При B > 0 анизотропные эфРис. 2. Вольт-амперные характеристики p-i-n-структуры фекты, обусловленные магнитным полем и эффектом при различных магнитных полях (в относительных единицах).

Сасаки, вызывают поперечный дрейф носителей в одном Величина S: 1 —0, 2 —2, 3 —5, 4 — (-1), 5 — (-2), 6 — направлении, а при B < 0 — в противоположном.

(-3), 7 — (-5).

При B > 0 лоренцовский дрейф и анизоторопия Сасаки приводят к усилению приповерхностной аккумуляции носителей заряда с ростом напряжения и магнитного При анализе ВАХ p-i-n-структуры при одновременполя. Ток в этом случае уменьшается с ростом B при ном учете силы Лоренца и эффекта Сасаки примем любых напряжениях. При B < 0 имеет место немоноаппроксимационное выражение для eff, которое при тонная зависимость тока от магнитного поля. При фикподстановке в уравнения (1) дает возможность учесть сированном напряжении U максимальное значение тока суперпозицию поперечных потоков носителей заряда за достигается в таком магнитном поле BC(U), которое счет МДПЭ в сильном электрическом поле и за счет в значительной степени приводит к компенсации анизоотклонения силой Лоренца. Примем по аналогии с (2) тропии Сасаки. При B < BC преобладает эффект Сасаки в качестве такого выражения зависимость eff от Ex и B и носители заряда аккумулируются у одной поверхности вида 0 i-области, при B > BC доминирует лоренцовский дрейф eff eff =, (3) и происходит накопление носителей у противоположной 1 +[(E/EB) - (E/ES)]поверхности.

где ES — характерное поле — такое, что при E > ES Рассмотрим ВАХ при фиксированном значении индукстановятся существенными разогрев электронного газа, ции магнитного поля B < 0. При малых напряжениях МДПЭ и, как следствие, анизотропия Сасаки. Параанизотропия проводимости полупроводника определяметр определяет насколько резко с ростом поля E ется магнитным полем. С ростом |BEx| усиливается развивается анизотропия Сасаки. Подставляя (3) в (1) лоренцовский дрейф и приповерхностная аккумуляция и приводя получающиеся соотношения к безразмерному носителей заряда. При этом растет темп рекомбинации, виду, получим уменьшается эффективное время жизни, квадратичная w зависимость тока от напряжения сменяется линейной.

d iS =, При достаточно больших напряжениях становится су1 +(S - )щественной анизотропия Сасаки, которая сначала приводит к ослаблению аккумуляции носителей заряда w у поверхности и, следовательно, к увеличению эф2 d uSiS =, (4) фективного времени жизни. При -1 = S происходит 1 +(S - )взаимная компенсация анизотропных эффектов, вызванных магнитным и электрическим полями, поэтому при где 1/(-1) Jw uS S ток резко возрастает. Дальнейшее увелиiS =, 0 eµnµp(nT - pT )effES чение напряжения приводит к аккумуляции носителей U E ES заряда теперь уже у противоположной поверхности uS =, =, S = полупроводниковой пластины, в результате чего эффекwES ES EB тивное время жизни резко уменьшается и рост тока — безразмерные ток, напряжение, электрическое поле с напряжением замедляется.

и магнитная индукция. На рис. 2 приведены рассчитанПредставленная в настоящей работе интерпретация ные по приведенным выше формулам зависимости iS(U) экспериментальных ВАХ плоских p-i-n-структур при для различных магнитных полей и = 3/2.

низких температурах, не претендуя на строгость, тем При B = 0 и малых напряжениях зависимость тока от напряжения квадратичная, так как реализуется по- не менее позволяет понять причины сильных различий лупроводниковый режим двойной инжекции. С ростом таких ВАХ при температурах T = 300 и 77 K.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Междолинное перераспределение электронов при низких температурах и магнитодиодный эффект Список литературы [1] Z.S. Gribnikov, G.I. Lomova, V.A. Romanov. Phys. St. Sol., 28, 815 (1968).

[2] Т. Ямада. Тр. IX Межд. конф. по физике полупроводников (1968) т. 2, с. 711.

[3] В.И. Стафеев, Э.И. Каракушан. Магнитодиоды (М., Наука, 1975).

[4] H. Pfleiderer. Sol. St. Electron., 15, 335 (1972).

[5] А.А. Абрамов, А.У. Фаттахдинов. ФТП, 13, 2144 (1979).

[6] L.S. Gasanov, I.N. Gorbatii. Phys. St. Sol. (a), 59, 401 (1980).

[7] K. Miyazaki, J. Yamaguchi. Jap. J. Appl. Phys., 7, (1968).

[8] Л.С. Гасанов. ФТП, 15, 2416 (1981).

[9] Э.И. Рашба. ЖЭТФ, 48, 1427 (1965).

[10] З.С. Грибников. ФТП, 3, 1821 (1969).

[11] А.А. Абрамов, И.Н. Горбатый. Изв. вузов. Электроника, №6, 41 (2000).

[12] А.А. Абрамов, И.Н. Горбатый. ФТП, 36, 847 (2002).

[13] W. Sasaki, M. Shibuya, K. Mizuguchi. J. Phys. Soc. Japan, 13, 456 (1958).

[14] К. Зеегер. Физика полупроводников (М., Мир, 1977).

Редактор Т.А. Полянская Intervalley redistribution of electrons at low temperatures and magnetodiode effect A.A. Abramov, I.N. Gorbatyi Moscow State Institute of Electronic Engineering (Technical University), 103498 Moscow, Russia

Abstract

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.