j |
c |
U U |
|
U |
|
, |
(9.36) |
|
a |
k |
|||||
|
d |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
где с – постоянная.
На вольт-амперные характеристики диэлектрического диода существенное влияние оказывает наличие ловушек в диэлектрическом слое. Заряд, локализованный на этих ловушках, осуществляет дополнительное ограничение тока.
Картина прохождения тока через МДМ-структуру существенно меняется, если один из контактов является инжектирующим для дырок, а другой для электронов. Величина двойной (биполярной) инжекции значительно больше, чем в случае монополярной инжекции, и, как показывает расчет, определяется соотношением
j = 2εε0ηU2/d, |
(9.37) |
где η – время жизни носителей заряда.
Взависимости от поведения концентрации и времени жизни носителей с изменением напряжения возможны различные ВАХ (рис. 9.7, б).
Втех случаях, когда время жизни носителей заряда τ не изменяется с уровнем инжекции, ток через МДМ пропорционален U3 (кривая 1 на рис. 9.8, б). Если такая зависимость существует, то ВАХ изменяет свою форму. При этом если τ уменьшается с ростом концентрации
инжектированных носителей, ток с ростом напряжения U меняется медленнее, чем U3 (кривая 2). Если же τ увеличивается с ростом U, то j растет быстрее чем U3 (кривая 3). В последнем случае на ВАХ структуры может появиться участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Рассмотренные здесь явления также лежат в основе работы электронных и микроэлектронных устройств (п. 9.7).
9.6. Прохождение горячих электронов сквозь тонкие металлические пленки
Выше мы рассматривали явления, связанные с прохождением носителей сквозь диэлектрические тонкие пленки. Здесь исследуем прохождение так называемых горячих электронов через тонкие металлические пленки.
244
Понятие «горячий электрон» относится к неравновесным электронам, энергия которых значительно больше энергии равновесных носителей. Название обусловлено тем, что эквивалентная температура таких электронов значительно больше температуры кристалла. Горячий электрон, попадая в металл, испытывает постоянное взаимодействие с фононами, свободными электронами, дефектами кристаллической решетки. В процессе такого взаимодействия он отдает избыточную энергию и переходит в равновесное состояние. Однако если длина свободного пробега электрона значительно больше толщины пленки, то практически все горячие электроны пройдут сквозь пленку.
Ввод горячих электронов в металлическую пленку удается осуществить за счет туннелирования, инжекции через барьер Шоттки или инжекции на основе токов, ограниченных пространственным зарядом. На рис. 9.9 показаны энергетические диаграммы структур, в которых возможно введение горячих электронов через барьер Шоттки (а) и с помощью туннелирования (б). В первом случае это П1ДП2-структура. За счет приложенного напряжения U высота потенциального барьера на границе полупроводник-металл существенно меняется, что позволяет реализовать эмиссию Шоттки. Если металлическая пленка достаточно тонкая и рассеяния электронов в ней не происходит, а также θэ<θк, то эмиссионный поток электронов достигает второго полупроводникового электрода (П2).
ЕС1
ЕФ1
П1
j
э |
θ |
θ |
|
|
k |
М П2
а)
j
|
|
θк |
|
М1 |
|
М2 |
|
Д |
|
||
|
|
ЕФ |
|
|
|
П |
|
|
|
||
|
|
б) |
|
Рис. 9.9. Энергетические диаграммы инжекции электронов сквозь металлическую пленку: а – инжекция Шоттки; б – туннелирование
Ввод электронов в металлическую пленку с помощью туннельного эффекта может быть осуществлен, например, в структуре металл- диэлектрик-металл-полупроводник (рис. 9.9, б). Из металла М1 электроны туннелируют в диэлектрик, а оттуда попадают в металл М2. Если
245
высота коллекторного барьера меньше, чем энергия электрона -eUэ, то горячие электроны попадают в коллектор-полупроводник.
Ток туннельной эмиссии зависит от толщины металлической пленки d и длины поглощения электронов L
j ~ exp( d ) . |
(9.38) |
L |
|
Сравнение различных механизмов инжекции носителей показало, что наиболее эффективной является инжекция через барьер Шоттки.
Исследование поведения горячих электронов в тонкой металлической пленке привлекает внимание в связи с возможностью построения транзисторов на горячих электронах.
Действительно, например, ПМП-структура (рис. 9.9, а) в определенных условиях может работать как транзистор, имеющий тонкопленочную металлическую базу. Контактный барьер на границе эмиттер-база (П1М) должен пропускать значительный поток неравновесных горячих электронов в металл и не пропускать встречный поток равновесных электронов. Некоторая часть инжектированных электронов рассеивается и создает базовый ток. Основная часть проходит под контактным барьером и создает коллекторный ток.
9.7. Активные устройства на основе тонкопленочных структур
Здесь мы остановимся на практическом применении рассмотренных электронных процессов в тонких пленках и тонкопленочных структурах. Выделение предлагаемых сведений в отдельный раздел связано с тем, что во многих активных устройствах одновременно работают различные механизмы переноса носителей.
Необходимо оговориться, что пленочные активные элементы и устройства по своим параметрам еще уступают устройствам традиционной электроники и микроэлектроники. Однако их особенности позволяют говорить о хороших перспективах в этом направлении.
1. Диоды с резонансным туннелированием
Перспективные функциональные устройства разработаны на основе тонкопленочных структур полупроводник-диэлектрик-полупроводник.
246
Это преобразователи постоянного напряжения в переменный ток и другие перестраиваемые устройства.
Воснове работы таких диодов лежит эффект туннелирования носителей сквозь потенциальный барьер, а также квантовый размерный эффект (пп. 9.1, 9.3). На рис. 9.10 проиллюстрирована работа такого устройства.
Висходном состоянии (U = 0, Е = 0) туннелирования не происходит, поскольку справа и слева от диэлектрика находятся либо одинаково заполненные, либо одинаково пустые уровни (рис. 9.10, б).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E4 |
|
|
E4' |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E3 |
|
|
|
|
E3' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П |
Д |
П |
E2 |
|
E2' |
|
|
||||
|
|
|
|
E1 |
|
E1' |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а)
E4 
E E3 
E2
E1
в)
E4'
E3'
E2'
E1'
E4
E3
E2 |
E1 |
б)
E4
E E4'
E3'
E2'
E1'
г)
Рис. 9.10. Работа ПДП-структуры: а – схема структуры;
б – U=0; в – U=U1; г – U>U1, E2=E3
Если приложенное напряжение U = U1 |
таково, что E E , туннелиро- |
|
|
2 |
2 |
вания также не происходит по определению (рис. 9.10, в). Когда напряже-
ние достигает U > U1 |
и E E , между этими (и некоторыми другими) |
|
|
2 |
3 |
уровнями начинается туннелирование, в системе ПДП возникает ток.
В процессе работы ПДП-структуры при монотонном нарастании напряжения во внешней цепи возникает импульсный ток. Если систему, находящуюся в состоянии (рис. 9.10), возбудить с помощью внешнего источника (например, электромагнитного излучения), она будет зависеть от параметров этого источника, например, длины волны, интенсивности света и так далее.
247
2. Диэлектрические диоды
Это простейшее устройство диэлектрической физической электроники. Оно представляет собой тонкопленочную структуру металл- диэлектрик-металл, расположенную на диэлектрической подложке. В основе работы такого прибора лежит разность работ выхода катода и анода (см. рис. 9.3, е) и ТОПЗ. Материал катода обычно имеет малую работу выхода в данный диэлектрик. Для катода используется металл с большей (1-2 эВ) работой выхода. В результате в прямом направлении токи достигают больших величин, а в обратном – весьма малы. Коэффициент выпрямления диэлектрического диода достигает 106 и более.
В отличие от диодов, использующих p-n–переходы, диэлектрические диоды имеют очень малые обратные токи и могут использоваться при высоких температурах.
Наиболее изученной является структура In-CdS-Te (рис. 9.11, а) статическая характеристика которой приведена на рис. 9.11, б. Катодом в этой структуре является In. Толщина слоя CdS – 10 мкм, рабочая площадь 1 мм2.
|
|
|
|
|
|
I, A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
10-2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
CdS |
|
|
|
10-4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
In |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Te |
|
|
|
|
10 |
-6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10-8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
10-10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
10-12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10-2 10-2 |
1 |
|
10 |
|
|
|
102 U, B |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
|
б) |
|
|
|
|
|||
Рис. 9.11. Диэлектрический диод: а – структура; б – ВАХ, 1 – прямая ветвь, 2 – обратная ветвь
На кривой 1 различаются три области: начальная, промежуточная и конечная.
3. Тонкопленочный триод на основе ТОПЗ
В основе работы триода на основе ТОПЗ лежат те же механизмы, что и в предыдущем случае: односторонняя инжекция электронов в диэлектрик и ТОПЗ. При обсуждении диодных структур отмечалось, что
248
через диэлектрические слои могут быть пропущены значительные ТОПЗ. Необходимым условием является наличие инжектирующего контакта. По аналогии с вакуумными приборами можно сравнить диэлектрический диод с вакуумным триодом, добавив управляющий элек-
трод-сетку.
На рис. 9.12, а, б представлены схемы наиболее удачных конструкций ТОПЗ триодов. В таких триодах наблюдаются типичные вольтамперные характеристики с тремя характерными областями, описанными выше (9.5). На рис. 9.12, б приведены анодные характеристики ди-
электрического триода при ξ = 11, статическом коэффициенте усиления
20, μ = 5∙10-4 м2/Вс, S = 1 мм2, dак = 25 мкм.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IA, A |
|
|
С(Те) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
а(Те) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c(Au) |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SiO2 |
|
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CdS |
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a(In) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К(In) |
|
|
|
|
|||
|
|
K(In)К(In) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
а) |
|
б) |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
-1,0 В |
|
|
0,5- В |
||
Д |
||||
=0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 40 60 80 UA, B
в)
Рис. 9.12. Диэлектрический ТОПЗ триод: а, б – конструкция; в – ВАХ; Uд – напряжение на сетке, а – анод, к – катод
Обращает на себя внимание высокое значение крутизны характеристики ТОПЗ триода.
4. Транзисторы на горячих электронах
Выше мы уже рассматривали прохождение высокоэнергетических, «горячих» электронов сквозь тонкую металлическую пленку и инжек-
тированных в нее путем эмиссии Шоттки, или туннелирования.
В 1960 г. Мидом был предложен тонкопленочный триод с туннельной эмиссией электронов, который представляет собой МДМДМструктуру (рис. 9.13). В такой структуре электроны с уровня Ферми металлической пленки эмиттера туннелируют в зону проводимости диэлектрика. Электроны, имеющие достаточную энергию, могут достичь
249