2
СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ..........................................4
ВВЕДЕНИЕ.....................................................5
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ...................................9
1.1. Приборы и структуры с отрицательным дифференциальным сопротивлением.................................................9
1.2. Полупроводниковые приборы с И-образными вольт-амперными характеристиками...........................................16
1.3. Выводы. Постановка задачи.............................29
2. МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ И-ПРИБОРОВ..................31
2.1 Физико-топологическое моделирование характеристик негатронов ....31
2.2 Схемотехническое моделирование негатронов..............43
2.3 Механизмы поглощения света в полупроводниковых негатронах 45
2.4 Методы экспериментального исследования фоточувствительных негатронов с Ы-образной ВАХ.....................................50
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВЫХ НЕГАТРОНОВ С ШУНТИРОВАНИЕМ ЭМИТ-ТЕРНОГО ПЕРЕХОДА............................................55
3.1 Моделирование и исследование МДП-биполярного негатрона 55
3.2 Исследование фоточувствительности МДП-биполярного негатрона...62
3.3 Выводы................................................71
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ-БИПОЛЯРНЫХ И-ПРИБОРОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ...........................................73
4.1 Моделирование и исследование статических характеристик фоточувст-
вительных биполярных негатронов.................................73
4.2 N Моделирование и исследование динамических характеристик фото-чувствительных биполярных негатронов............................82
4.3 Спектральные характеристики биполярных Ы-приборов..........89
4.4 Температурные характеристики фоточувствительных биполярных Ы-приборов........................................................90
4.5 Выводы.....................................................97
5. ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ №ПРИБОРЫ С РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ.......................99
5.1 Биполярно-полевые И-приборы с симметричной ВАХ.............99
5.2 Биполярные И-приборы с симметричной ВАХ...................107
5.3 Ы-транзисторные оптроны...................................115
5.4 Полупроводниковый позиционный датчик ИК излучения.........121
5.5 Выводы....................................................125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................130
4
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
ВАХ - вольт-амперная характеристика КИТ - комбинированный полевой транзистор КПУ - комбинированное полевое управление МДП - металл-диэлектрик-полупроводник МОП - металл-окисел-полупроводник МОПТ - МОП-транзистор
ОДС - отрицательное дифференциальное сопротивление
ОПЗ - область пространственного заряда
СВЧ - сверхвысокочастотный
БПС - биполярно-полевая структура.
5
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые структуры с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) обладают рядом уникальных свойств, стимулирующих поиск конструктивно-технологических и схемотехнических решений при разработке новых полупроводниковых приборов, функциональных и микроэлектронных устройств на их основе [1]. В последнее время весьма перспективным становится применение приборов с Ы- и Б-образными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) различного уровня мощности в средствах телекоммуникаций, устройствах отображения и преобразования информации, нейроинформатики, слаботочной автоматики, логических микросхемах из-за значительного упрощения многих схемных решений, снижения массогабаритных показателей, повышения качества и надежности [1-3].
Вопросам разработки, моделирования и исследования приборов с ОДС посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Огромный вклад в развитие физики полупроводниковых приборов с ОДС внесли такие ученые, как Стафеев В.И., Лебедев А. А., Гаряинов С.А., Челноков В.Е., Кузьмин В.А., Евсеев Ю.А., Блихер А., Тейлор П., Герлах В, Еса-ки Л. В настоящее время практически решены основные вопросы теории известных приборов с ОДС, касающиеся физических процессов, приводящих к появлению участка отрицательного сопротивления на ВАХ, принципа действия, свойств основных типов приборов, а также их применения в различных узлах электронной техники. Тем не менее, появление полупроводниковых приборов с ОДС, основанных на принципиально новых физических явлениях, имеющих оригинальные структуры, вызывает значительный интерес у исследователей и производителей электронной аппаратуры.
Отличительной особенностью приборов с ОДС является наличие внутренней положительной обратной связи. В зависимости от ее вида полупроводниковые приборы делятся на два класса. К первому относятся приборы с
6
8-образной ВАХ, устойчивые по току. Ко второму классу относятся приборы с КГ-образной ВАХ, устойчивые по напряжению. При этом, такие приборы принято считать дуальными. Дуальность Б- и М-приборов проявляется в подобии их ВАХ и эквивалентных схем замещения. В связи с этим, они представляют собой класс приборов, обладающих одинаковыми свойствами, подчиняющихся одним и тем же принципам разработки, моделирования и исследования. Широкие перспективы применения, быстрое развитие теоретических основ и технологической базы позволило выделить полупроводниковые приборы с ОДС как отдельное, перспективное направление твердотельной электроники [1,2].
Развитие полупроводниковых приборов с ВАХ N и 8-типа идет преимущественно по пути улучшения значений отдельных параметров, в частности, увеличения рабочих токов, увеличения быстродействия и мощности, снижения токов и напряжений в открытом состоянии, однако значительно меньшее внимание уделяется задачам разработки, моделирования и исследования слаботочных Ы-приборов. Последние исследования выявили перспективность применения таких приборов в качестве базовых элементов цифровой техники, в качестве элементов многоуровневой логики, памяти, микроэлементов автоматики [4-9]. Простота управления параметрами ВАХ таких приборов с помощью электрических полей и тока, наряду с высоким быстродействием и возможностью обработки биполярных сигналов, значительно расширяет их функциональные возможности и позволяет упростить многие схемотехнические решения. Массогабаритные показатели и функциональные свойства планарных негатронов малой и средней мощности также во многом определяют широкие перспективы их применения в качестве различных полевых и оптоэлектронных датчиков постоянного и переменного тока в цепях слаботочной автоматики и бытовой техники.
Таким образом, одной из актуальных на сегодняшний день задач физики и техники полупроводниковых приборов с ОДС Ы-типа, стоящих перед
7
исследователями является разработка, моделирование и исследование физики работы новых планарных структур интегральных негатронов малой и средней мощности, а также приборов и устройств на их основе. Актуальны исследования фото- и термочувствительности негатронов, с целью разработки микросистемных датчиков различного назначения, обладающими рядом уникальных свойств.
В целях повышения мощности приборов с ОДС было разработано множество вариантов биполярных и биполярно-полевых планарных негатронов, используемых для создания мощных низко- и среднечастотных генераторов, твердотельных ограничителей тока, мощных комбинированных полупроводниковых приборов с защитой от пробоя, элементов защиты узлов электронной аппаратуры и электробытовой техники.
Среди приборов с ОДС М-типа наиболее распространенными являются туннельные диоды. В настоящее время туннельные диоды используются в основном в импульсных и усилительных схемах, а также в качестве маломощных автогенераторов синусоидальных колебаний. Однако, туннельные диоды обладают существенными недостатками, такими как сложность управления величиной ОДС, наличие вторичных положительных ветвей на ВАХ, отсутствие фоточувствительности, которые значительно снижают эффективность использования подобных приборов [2-3]. Поэтому на данном этапе актуальным является исследование микромощных негатронов, лишенных указанных недостатков, в том числе и фотоуправляемых, а также приборов с симметричными ВАХ.
В связи с изложенным, целью данной работы является разработка принципов работы, моделирование и исследование фоточувствительных полупроводниковых приборов с И-образными ВАХ малой мощности. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1. Анализ физико-топологического, математического и схемотехнического методов моделирования полупроводниковых приборов для оптимизации
моделирования статических, динамических и температурных характеристик фоточувствительных приборов с Ы-образной ВАХ.
2. Моделирование и исследование статических и динамических характеристик фоточувствительных МДП-биполярных Ы-приборов с шунтированием эмиттерого перехода.
3. Моделирование и экспериментальное исследование статических,
динамических и температурных характеристик биполярных Ы-приборов с шунтированием эмиттерного перехода и модуляцией тока базы.
4. Моделирование и экспериментальное исследование статических
характеристик фоточувствительных комплементарных МДП-
биполярных и биполярных приборов с Ы-образной ВАХ.
5. Моделирование и экспериментальное исследование выходных, переходных и температурных характеристик Ы-транзисторных оптронов.
Для решения вышеуказанных целей в первой главе проведен подробный сравнительный анализ основных типов и свойств полупроводниковых приборов с ОДС Ы-типа различного уровня мощности. Рассмотрены вопросы применения таких приборов в системах вычислительной техники. Вторая глава посвящена описанию методик моделирования и экспериментального исследования полупроводниковых приборов, проводится их оптимизация для моделирования статических и динамических характеристик фоточувствительных Ы-приборов в зависимости от мощности ИК излучения. В третьей главе приводятся результаты исследование фоточувствительных МДП-биполярных Ы-приборов. Результаты моделирования и исследования статических, динамических и температурных характеристик фоточувствительных биполярных Ы-приборов с управляемой ВАХ приводятся в четвертой главе. Пятая глава посвящена моделированию и исследованию фоточувствительных Ы-приборов, обладающих симметричной выходной ВАХ. Рассмотрены также Ы-транзисторные оптроны и позиционные датчики ИК излучения.
9
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ
1.1. Приборы и структуры с отрицательным дифференциальным сопротивлением
Направление современной электроники - "Негатроника" [1,2,10] существует уже несколько десятилетий и связанно с теорией и практикой создания и применения электронных приборов, имеющих в определенном режиме отрицательное значение дифференциального сопротивления, емкости и индуктивности. [1-3,10-12]. В настоящее время известны различные виды негатронов, классификация которых представлена на рис. 1.1. и 1.2. Среди них самые мощные сверхвысокочастотные (СВЧ) приборы - лавинно-пролетные диоды [10,13], самые быстродействующие ключи на лавинных транзисторах [10], самые мощные токовые полупроводниковые переключатели на дини-сторах и тиристорах [14-16,10]. Однако развитие этого направления проходило неравномерно и, в отличие от классической транзисторной электроники, долгое время не имело систематизированной методологической и теоретической базы. И только в 1985 г. была дана формулировка этого научного направления [10].
Открытие падающего участка на ВАХ полупроводникового точечного диода, сделанное в 1922 г. инженером Нижегородской лаборатории
О.В.Лосевым, следует считать началом развития полупроводниковой нега-троники [2,10]. Термин «отрицательное сопротивление» был введен М.А.Бонч-Бруевичем [2,10]. Он показал, что если мощность в любом элементе цепи постоянного тока всегда положительна, т.е. такой элемент по отношению к постоянному току является только потребителем энергии, то по от-
10
ношению к переменному току это не всегда так. Это означает, что элемент, в котором создается отрицательная мощность, должен рассматриваться не как потребитель, а как источник энергии переменного тока [2-3,10-11].
Рис.1 Л. Классификация негатронов.
Следующим шагом исследования приборов с ОДС стала разработка полупроводниковых негатронов, обладающих отрицательным сопротивлением в сверхвысокочастотном диапазоне. Базисом создания таких СВЧ-приборов стали статьи Шокли, опубликованные в 1954 г. [10]. Автор обсуждал идею двухэлектродного прибора с отрицательным сопротивлением, возникающим благодаря эффекту времени пролета. В качестве первого примера он рассматривает "диод с задержкой неосновных носителей". В предлагаемой им р+-п-р или (п+-р-п)-структуре, неосновные носители, инжектируемые из р+-п-перехода, дрейфуют к другому р-п-переходу, претерпевая при этом задержку, равную времени пролета. Другой прибор, предложенный Шокли, представляет собой р-п-р-структуру, которая используется в режиме прокола, чтобы
11
обеспечить ее униполярность. Эти две структуры схожи с появившимися позднее инжекциоино-пролетными диодами (ИПД) [10,11].
Рис.1.2. Классификация полупроводниковых негатронов.
Также Шокли обсуждает возможность создания двухэлектродного прибора, представляющего собой однородный полупроводник, в котором под
12
действием сильного электрического поля могут наблюдаться отклонения от закона Ома, выражаемые в понижении скорости носителей с увеличением напряженности поля, т.е. в появлении области отрицательной дифференциальной подвижности. Однако практической реализации эта идея не получила из-за ряда теоретических недоработок. В 1963 г. Ганном были получены первые экспериментальные данные о существовании пролетных колебаний, связанных с этим свойством, в СаАБ и 1пР [17]. Приборы, использующие этот эффект, получили наименование "Диоды Ганна" или "приборы на эффекте объемного отрицательного сопротивления" [10,13]. Туннельный диод - прибор, действующий на новом принципе, был открыт в 1957 г. Л.Эсаки [2,10-11,18-20]. На прямой ветви ВАХ узкого германиевого р-п-перехода (т.е. перехода, созданного на сильнолегированном материале) был обнаружен участок отрицательного сопротивления конечной величины, получаемый в результате туннелирования электронов через узкий обедненный слой. Попытки создания мощных туннельных диодов не увенчались успехом[18-19].
В 1958 г. Рид [10] предложил использовать диод с п±р-Р "стРУктУР°й5 для генерации мощного СВЧ излучения. В этом приборе используется сочетание эффектов лавинного умножения, основанного на ударной ионизации, и времени пролета электронов, однако такой прибор был построен лишь в 1964г А.С.Тагером в СССР, и получил наименование "лавинно-пролетной диод" (ЛПД). [10,13]. За рубежом первое сообщение о практической реализации ЛПД было опубликовано в 1965 г. [10,13].
В 1971 г. впервые была получена генерация в СВЧ диапазоне с помощью инжекционно-пролетных диодов (ИПД) [10,11]. В этих приборах не используется режим лавинного умножения носителей и, следовательно, отсутствуют недостатки, присущие ЛПД (значительные шумы из-за процесса ударной ионизации и значительная мощность для получения больших полей) [10,13].
- Київ+380960830922