книги / Нелинейные металлоксидные полупроводники

вышает 0,5 нс, что позволяет использовать МОВ в режиме работы с еще более короткими импульсами, чем напри­ мер, при атмосферных разрядах. Такие импульсы возника­ ют, в частности, при взаимодействии у-радиации с около­ земной атмосферой. Распространение у-излучения в ат­ мосфере приводит к образованию высокоэнергетических комптоновских электронов и ионизированных атомных остовов и как следствие, — мощному импульсу электромаг­ нитного поля с длительностью фронта примерно 10 нс и амплитудой 105 В/м, экспоненциально спадающему за время около 1 мкс. Варистор, предназначенный для погло­ щения таких пульсаций должен обладать следующими ха­

8 А/нс. При этом собственные вносимые потери должны быть меньше 0,4 дБ на частоте около 0,1 ГГц [71]. Попыт­ ки применить для этих целей переключатели на основе толстых гибридных поли- и монокристаллических пленок оксидов ниобия не были особенно удачны, так как пере­ ключение в них сопровождалось структурными превраще­ ниями и изменением стехиометрических соотношений, вследствие диссипации мощности, что приводило к механи­ ческому разрушению пленки.

Применение цинкоксидного варистора в виде пластины со стороной 0,25 мм толщиной 0,1 мм, смонтированного в корпусе СВЧ-устройства позволило достичь времени за­ держки менее 0,5 нс при собственной емкости устройства 4,4 пФ и уровне потерь 0,1 дБ. При этом собственно время, за которое инициируется проводящее состояние варистора измерить еще не удалось, поэтому достигнутое быстродей­ ствие не является пределом. Таким образом переход ва­ ристора в проводящее состояние выглядит как практиче­ ски безынерционный чисто электронный процесс, что обус­ ловливает перспективность применения варисторов в полу­ проводниковой электронике и вычислительной технике.

32. Пробой варисторов

Основной причиной отказов варисторов, ограничиваю­ щей срок их службы, является пробой под действием элек­ трического поля и температуры. В результате ВАХ в ста­ тическом режиме теряет симметричность, приобретает «диодный» вид (см. рис. 49). Пробой может не сопровож­ даться разрушением прибора и заключается в образовании проводящего канала через тот потенциальный барьер на

где Тт— температура проводящего канала; То—температу­

ра окружающей среды.

С помощью (113) по экспериментальным S-образным ВАХ можно рассчитать температуру проводящего канала Тт, отвечающую напряжению перегиба Uc («температуру

пробоя»). И эксперимент и расчетные оценки показали, что 7’m*s=1750C и практически не зависит от исходной тем­ пературы в рабочем диапазоне —40-г—|-85°С [67].

• Лри термическом пробое (термической нестабильности) пороговое напряжение Uc монотонно снижается с темпе­

ратурой окружающей среды. Эта модель игнорирует поле­ вую зависимость проводимости, и токовый разогрев про­ водящего канала может быть рассчитан также из выраже­ ния (41).

Для МОВ, однако, более обоснованной представляется электротермическая модель, дополнительно учитывающая в (112) рост удельной электрической проводимости с на­ пряженностью поля. Если, например, нелинейная ВАХ на участке, предшествующем S-образной аномалии, отвечает

Очевидно, что разогрев межкристаллитного слоя в элек­ тротермической модели больше, нежели в простом терми­ ческом механизме пробоя, так как составляет [сравните с (41)]

где ф (£)=ф о—Дф(£) — потенциальный барьер, сниженный электрическим полем на Дф.

Пороговое напряжение 0 Сс электротермической модели

пробоя зависит от температуры окружающей среды тем слабее, чем резче выражена нелинейность ВАХ.

В настоящее время нет возможности раздельно оценить влияние электронного и теплового механизмов на появле­ ние S-образности ВАХ варисторов из-за отсутствия соот­ ветствующих экспериментальных данных. Заметим только, что с физической точки зрения тепловой механизм форми­ рования S-образной ВАХ является достаточным, но не всегда необходимым, и может быть обусловлен одними лишь конструктивными особенностями прибора, приводя­ щими, например, к ухудшению теплоотвода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В металлоксидных полупроводниках существует и широко приме­ няется специфический механизм неомических явлений, обусловленный поверхностными потенциальными барьерами. Химическая природа этих барьеров до конца не ясна, но, по-видимому, образующие их поверх­ ностные состояния возникают вследствие взаимодействия поверхностно­ активных центров — ионных дефектов и примесей с хемосорбированным кислородом.

Теоретические модели, хотя и не дали однозначного ответа на во­ прос о механизме нелинейных явлений, продемонстрировали большие потенциальные возможности симметрично-барьерных структур с различ­ ным спектром поверхностных состояний. Можно ожидать, что в бли­ жайшие годы будут сформулированы способы оптимального легирова­ ния поверхности кристаллита, что стимулирует разработку новых не­ линейных элементов.

В области технологии следует отметить попытки получить нелиней­ ный элемент методами полупроводниковой технологии (диффузионный и пленочный варисторы), что позволило бы технологически совместить варисторы с традиционной технологией с полупроводниковыми прибо­ рами. С этой задачей в значительной степени связаны перспективы дальнейшего расширенного применения нелинейных металлоксидных по­ лупроводников в электронике.

Несмотря на значительные успехи последних лет, возможности оксидных полупроводников еще далеко не исчерпаны, и это позволяет надеяться на дальнейший быстрый прогресс в разработке и применении нелинейных элементов.

b — постоянная нелинейности (гл. 2 ) С — электрическая емкость

D n — коэффициент диффузии электронов d — средний размер кристаллита

Е— напряженность электрического поля

&^ — энергия дна зоны проводимости, потолка валентной

Р— коэффициент нелинейности ВАХ

у— постоянная в уравнении Пула

€о — диэлектрическая постоянная, 8,85-10-12 Ф/м Вг — относительная диэлектрическая проницаемость

я— постоянная Френкеля

р— удельное сопротивление

<т — удельная электрическая проводимость р — подвижность носителей заряда <р — высота потенциального барьера

1 . Валеев X. С., Машкович М. Д. Нелинейные полупроводники на

метричных варисторов из окиси цинка с примесыо окиси висмута.—

с.1839—1845.

5.Kohl D., Moorman H., Heiland G. Correlated behaviour of hall

mobility and work junction in the case of accumulation layers of ZnOcrystals. — Surf. Sci., 1978, vol. 73, p. 160—162.

6 . Van Ordorp C., Kanerva N. K. J. Voltage-current characteristics and capacitance on heterojunctions. — Sol. State Electron., 1967, vol. 10,

p.401—408.

7.Квасков В. Б., Валеев X. С. Неомические явления в окиси цин­

11.Нелинейные свойства полупроводниковой керамики на основе окиси цинка/ Б. И. Воронков, Г. А. Геращенко, Л. Ф. Запорожец,

Ю.Д. Кобцев. — Полупроводниковая техника и микроэлектроника, 1973, вып. 13, с. 44—49.

12.Matsuura М., Masuyama Т. Negative resistance effect of zinc

oxide ceramics. — Jap. J. Appl. Phys., 1975, vol. 14, № 6 , p. 889—890.

13.Валеев X. С., Князев В. A.f Дроздов H. Г. Нелинейные полу­

проводниковые сопротивления на основе окислов цинка, кремния и оло­ ва. Электричество, 1964, N24, с. 72—76.

14.Влияние процессов стеклообразования и кристаллизации на вольт-амперные характеристики полупроводниковой керамики ZnO—

Sn02 с добавками/ А. Я. Якунин, Б. К. Черный, А, М. Чакк, А. Б. Глот. — Известия АН СССР. Серия Неорганические материалы, 1976,

т.1 2 , № 5, с. 955—956.

15.Пат. 46-19474, 47-45793, 48-14357, 48-5836, 48-5839 (Япония). Нелинейный резистор, полученный методом спекания.

16.Пат. 2026011 (ФРГ). Нелинейный резистор.

17.Mukae K-, Tsuda К., Nagasawa I. Non-ohmic properties of ZnO-

25.Levinson L., Philipp H. R. Ac properties of 'metal — oxide varis­ tors.— J. Appl. Phys., 1976, vol. 47, № 3, p. 1117—1122.

26.Matsuura M.f Jamaoki H. Dielectric dispersion and equivalent:

circuit in non-ohmic ZnO-ceramics. — Jap. J. Appl. Phys., 1977, vol. 16,. Ns 7, p. 1261— 1262.

27.Караченцев А. Я., Поташев 10. H. Электрические свойства оксидноцинковых варисторов объемного типа. — Электронная техника.. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты, 1973, вып. 4, с. 37—43.

28.Lou L. F. Semiconducting properties of ZnO-grain boundary —

32.Hill R. M. Poole-Frenkel conduction in amorphous solids. — Phil.. Mag., 1971, vol. 23, p. 59—83.

33.Горбачев В. В., Квасков В. Б. Расчет потенциальной ямы экра­

34.Arnett P. С., Klein N. Poole-Frenkel conduction an the neutraî trap. — J. Appl. Phys., 1975, vol. 46, j№ 3 , p. 1399—1400.

35.Nisoshi P.f Masaki A., Mitsuhiro <X, Noriyuki K. Glassvaristor.— Nat. Techn. Rept. 1978, vol. 24, № 1 , p. 15—22.

36.Тимашев С. Ф. О температурных зависимостях эффекта пере­

ключения.— ФТП, 1977, т. 11, вып. 7, с. 1437— 1438.

37. Электрические свойства и применение халькогенидиых стекло­ образных полупроводников/ В. Б. Квасков, Н. В. Пароль, Н. А. Иофис,. В. В. Горбачев. — М.: ЦНИИ Электроника, 1981. — 58 с.

40.Emtage P. R. Physics of zinc-oxide varistors. — J. Appl. Phys., 1977, vol. 48, № 10, p. 4372—4384.

41.Clarke D. R. The microstructural location of the intergranular

anetal-oxide phase in zinc-oxide varistor. — J. Appl. Phys., 1978, vol. 49, J№ 4, p. 2407—2411.

42. Eda K-, Matsuoka M. Thermally stimulated current in non-ohmic

.ZnO-ceramics.— Jap. J. Appl. Phys., 1977, vol. 16, № 1, p. 195—196.

43. Lee J. J., O’Brien J., Cooper M. S. Sekond break-down characte­ ristics of metal-oxide varistors. — J. Appl. Phys., 1977, vol. 48, iNs 3, ;p. 1252— 1257.

44.Волков H. Г., Ляпидевский В. К. Расчет потенциальной ямы электронной ловушки с помощью термополевого эффекта Френкеля.— ФТТ, 1972, т. 14, с. 1337— 1341.

45.Levin J. D. Theory of varistor electronic properties. — CRC Cri­

48. Blernaskoni J., Strassler S., Knecht B., Klein H. P., Menth A .— :Zinc-oxide based varistors a possible mechanism. — Sol. State Commun., 1977, vol. 21, p. 867—868.

в керамических полупроводниках на основе ZnO—Sn02. — Известия АН

СССР. Серия Неорганические материалы, 1977, т. 13, № 9, с. 1627— 1629.

52.Einzinger R. Dotierungseffekte in Metall-oxyd-Varistoren. — Ber Dt. Keram. Ges., 1978, Bd 55, № 6 , S. 329.

53.Eda K. Transient conduction phenomena in non-ohmic zinc oxide •ceramics. — J. Appl. Phys., 1979, vol. 50, № 6 , p. 4436—4442.

54.Eda K., Matsuoka M. Current oscillation phenomena in non-

ohmic ZnO-ceramics. — Jap. J. Appl. Phys., 1979, vol. 18, № 5,

p.999—1000.

55.Hausman A., Schallenberger B. Interstitial exygen in zinc exide •single crystals. — Z. Physik, 1978, Bd 31, S. 269—273.

56.Валеев X. С., Квасков В. Б. Термическое расширение окислов висмута, кадмия и цинка. — Изв. ÂH СССР. Серия Неорганические материалы, 1973, т. 9, № 4, с. 714, 715.

57. Wong J. Microstructure and phase transformation in highly nonohmic metal-oxide varistor ceramic.— J. Appl. Phys., 1975, vol. 46, № 4, -p. 1653— 1659.

№3, p. 145—151.

62.Harnden J. D.t Martzloff F. D., Morris W. G., Golden F. G. Me­

64.Керамические резисторы с высоким коэффициентом нелинейно­ сти на основе окиси цинка/ Б. К- Авдеенко, А. И. Бронфман, А. Я. Ка­ раченцев и др. — Электричество, 1976, № 9, с. 61—63.

65.Lee J. J., Cooper М. S. High-energy solid state electrical surges

70.Александров В. В., Пружинина В. И, Электрические характе­ ристики оксидно-цинковых резисторов РНС-60. — Электротехника. 1979, N° 7, с. 29—32.

71.Philipp Н. R., Levinson L. М. ZnO-varistor for protection against nuclear electromagnetic pulses. — Journal of applied physics. 1981, v. 52,

№2, p. 1083—1090.

Оглавление