Эффект Ганна - Левинштейн М.Е.
Скачать (прямая ссылка):
этими уровнями зависит от положения уровней,-а также от концентрации и
заряда примесных центров. Для качественного рассмотрения явлений захвата
удобно воспользоваться простой схемой расположения уровней в запрещенной
зоне (рис. 5.8). В ряде-случаев эта схема описывает реальную
экспериментальную ситуацию, в частности, для GaAs [24]. Кроме того,
результаты, полученные из ее рассмотрения, качественно справедливы для
большого числа других ------------------------------------?с
возможных схем расположения уров- т>&
ней. Мелкие донорные центры с концентрацией па будем считать пол- -------
--------------------------ж,
ностью ионизованными, а уровень глубоких центров с концентрацией NT -
расположенным в верхней половине запрещенной зоны. Будем Лг
предполагать, что эти центры явля-
ются центрами акцепторного типа в %S°Z
том смысле, что центры, не захва- хвата.
105
тившие электрон (пустые центры), являются нейтральными, а заполненные
центры заряжены отрицательно. Будем предполагать также, что заполненный
центр не может захватить второго электрона. Энергетический зазор между
глубоким уровнем и дном зоны проводимости считается достаточно большим,
так что тепловая генерация с уровня в зону мала.
В зависимости от соотношения tid и iVT возможны два случая. Если n-d>Ni,
то все акцепторные центры заполнены, а концентрация электронов в зоне
проводимости па = па-А'тт. Этому соответствует коэффициент заполнения f-
N~/Nr= 1, где N~- концентрация заполненных центров. В противоположном
случае все электроны с мелких донорных центров захватываются акцепторными
центрами, а концентрация электронов в зоне проводимости мала и
определяется лишь слабой тепловой генерацией с акцепторного уровня. При
этом f~tid/NT.
Поскольку в первом случае (п<г>Лгт) нет пустых центров, способных
захватить электроны, захват отсутствует. Именно такая ситуация характерна
для обычных ганновских диодов, которые изготавливают, как правило, из
чистого материала с возможно меньшим содержанием глубоких примесных
центров *h
Второй случай соответствует высокоомному "полуизолирующему" материалу
(для GaAs характерное удельное сопротивление такого материала ро~Ю3 ...
Ю10 Ом-см). В полуизолирующем материале, в котором число центров,
способных захватить электроны, велико, захват может играть определяющую
роль в развитии электрической неустойчивости. Часто в таком материале
сечение захвата примесным центром увеличивается с ростом электрического
поля, что при достаточно сильном ноле может привести к уменьшению
концентрации электронов в зоне проводимости и обусловить возникновение
объемного отрицательного дифференциального сопротивления.
Отрицательное сопротивление такого типа наблюдалось впервые Стафеевым
[25], а позднее Ридли и Праттом [26] на германии /г-типа, легированном
золотом. В высокоомном /г-GaAs возникновение медленно движущихся доменов,
связанных с зависящим от поля захватом, было обнаружено Барро [27].
Характеристики таких так называемых рекомбинационных доменов были
исследованы позднее теоретически и экспериментально в целом ряде работ
[28-30].
Критические поля возникновения медленных доменов в высокоомном GaAs лежат
в пределах от 90 В/см [27] до 3100 В/см [30] в зависимости от типа
примесных центров, температуры, освещенности образцов и других факторов.
Скорость таких доменов может лежать в пределах приблизительно от 10^3 до
104 см/с [29, 30]. Ниже мы покажем, что даже при независящем от поля
захвате падающий участок на кривой и(Е) может обусловить возникновение
медленных доменов, поведение которых аналогично поведению
рекомбинационных доменов.
Следует иметь в виду, что в реальном материале может быть целый ряд
глубоких уровнен. Часть из них может располагаться сравнительно близко ко
дну зоны проводимости, так что при комнатной температуре заметная доля
центров будет опустошена за счет теплового заброса электронов в зону
проводимости. При этом захват пустыми центрами
*> Следует заметить, что даже в чистом материале заполненные глубокие
примесные уровни могут определять скорость рекомбинации электронно-
дырочных пар, возникающих, например, благодаря ударной ионизации в домене
сильного поля.
S 0G
может оказаться существенным да- , ,
же в материале с обычной ганнов- >отие ¦ ской концентрацией.
Так, в работе [31] было показано, что в некоторых длинных эпитаксиальных
образцах при комнатной температуре и неизменном напряжении на образце ток
в условиях ганновской генерации падает в каждом последующем периоде
колебаний (рис. 5.9,а). При этом для фиксированного значения напряжения
смещения можно было наблюдать лишь несколько циклов колебаний, после чего
генерация прекращалась. Число наблюдаемых циклов колебаний росло с
увеличением напряжения. Специальные эксперименты с подавлением домена во
время его пролета показали, что в исследованных образцах вероятность
захвата зависит от поля таким образом, что значительный захват происходит
только в домене. Иными словами, пороговое поле захвата оказывается выше
