Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
прикладываемого к образцу арсенида галлия, на процесс генерирования, и
исследования генерации в тройных соединениях GaAsi-rPj-. проведенные
Алленом и др. 1Л 61. которые показали, что пороговая напряженность поля
уменьшается с уменьшением энергетического зазора между основным
и побочным минимумами зоны проводимости, убедительно подтверждают
ответственность механизма Ридли - Уоткинса - Хилсума (RWH) за ганновскую
генерацию.
В § 2 мы рассмотрим основные характеристики приборов с объемным
дифференциальным отрицательным сопротивлением. В § 3 мы обсудим теорию
междолинных переходов носителей тока. Различные виды работы приборов
ганновского типа, использующих RWH-механизм, описываются в общих чертах в
§ 4. Мы также рассмотрим несколько других приборов на объемных эффектах.
Этим приборам, включая термисторы и датчики Холла, посвящен § 5.
2. Отрицательное объемное дифференциальное сопротивление
1. Основные характеристики [JI. 7]. Эта теория объясняет возникновение
отрицательного дифференциального сопротивления переходом электронов из
нижнего минимума зоны проводимости в побочные с большей энергией, причем
в нижнем минимуме зоны проводимости э,лектроны обладают высокой
подвижностью, а в побочных минимумах с большей энергией их подвижность
низка. Такие переходы происходят под воздействием сильных электрических
полей.
Объемный полупроводник, обладающий дифференциальным отрицательным
сопротивлением, существенно нестабилен. Дело в том, что произвольная
флуктуация плотности тока в любой точке полупроводника приводит к
возникновению нестационарной области объемного заряда, которая нарастает
экспоненциально в пространстве и во времени. Приборы с дифференциальным
отрицательным сопротивлением (ДОС) могут быть разделены на две группы:
управляемые напряжением и управляемые током. Зависимости плотности тока
от напряженности электрического поля, характерные для этих двух типов
приборов, даны на рис. 1. На этом же рисунке .показано соответствующее
удельное дифференциальное сопротивление полупроводни-ка (dg/dJ) при
различном смещении, лежащем в диапазоне от нуля до начала участка с
отрицательным сопротивлением. В приборах с ДОС, управляемых напряжением,
одному и тому же значению тока может соответствовать несколько значений
напряженности поля, а в приборах с ДОС, управляемых током, - наоборот.
Рис. 1. Плотность тока в зависимости от напряженности поля для приборов с
дифференциальным отрицательным сопротивлением.
а - управляемые напряжением: б - управляемые током.
В предыдущих главах, посвященных переходам и контактным явлениям, мы уже
встречались с вольт-ампернцми характеристиками, аналогичными тем, которые
показаны на рис. 1. Например, туннельный диод представляет собой прибор с
ДОС, управляемый напряжением, а полупроводниковый управляемый выпрямитель
- управляемый током. В этой главе мы рассмотрим ДОС, связанное с
микроскопическими свойствами объема полупроводника, на которые не
а)
Ф
Рис. 2. Приборы с ДОС.
а - формирование домена высокого поля в приборе с ДОС, управляемым
напряжением; б - формирование шнура вы сокой плотности в приборе с ДОС,
управляемым током; 1, 2 - области с несколько более высокой
напряженностью поля; 3 - область высокого поля (домен); 4 - область
высокой плотности тока (шнур); 5 - область низкого поля; 6 - область
низкой плотности тока.
влияют ни геометрия образца, ни граничные условия на контактах к нему.
Различные физические явления могут быть причиной возникновения объемного
ДОС. Замечательным примером возникновения ДОС, управляемого напряжением,
является механизм Ридли - Уоткинса - Хилсума CRWH-механизм, который также
называют эффектом Ганна). По этому механизму ДОС возникает вследствие
междолинных переходов носителей тока. Приборы, работающие по механизму
RWH, будут рассмотрены в следующем разделе. Интересным 'примером
объемного прибора с ДОС, управляемого током, является криозар, который
работает вследствие ударной ионизации мелких примесных уровней в
компенсированных полупроводниках [Л. 8].
В настоящем разделе мы рассмотрим общие свойства объемных приборов с
дифференциальным отрицательным сопротивлением, отвлекаясь от физических
причин возникновения ДОС.
Вследствие наличия ДОС полупроводник, вначале однородный, становится
электрически неоднородным при любой флуктуации пространственного заряда.
Приведем простые соображения, из которых следует, что у приборов с ДОС,
управляемых напряжением, будут формироваться
домены высокого поля (или обогащенные слои), а у приборов, управляемых
током, формируются шнуры с высокой плотностью тока. Эти соображения будут
лишь незначительно видоизменяться по мере обсуждения различных видов
работы прибора.
Ап
а)
б)
а)
Ап
Диполь
6
б)
S~i
Рис. 4. Формирование электронного дипольного слоя в возмущенной среде с
отрицательной проводимостью
[Л. 9].
(I -• структура прибора; б- распределение избыточного заряда; е -
распределение напряженности поля; г - распределение потенциала.
