Температурно-електрична нестійкість (ТЕН) у напівпровідникових
монокристалах CdSb
Нелінійність вольт-амперної характеристики (ВАХ) є характерною рисою не тільки багатьох напівпровідникових приладів, у яких є р-п-переходи, а й багатьох напівпровідників [1]. В останньому випадку, якщо виключити особливості, пов’язані з контактними явищами, вона частіше всього обумовлена ефектами сильних полів. Адже в сильних полях спостерігається залежність рухливості від величини поля аж до насичення швидкості, від'ємна диференціальна рухливість (ефект Ганна), ударна йонізація і пробій. Проте і в слабких електричних полях можливі прояви нелінійності ВАХ [2].
Значний інтерес мають дослідження нелінійних ВАХ не тільки в приладах, а й у матеріалах, оскільки вони мають як прикладне значення, так і дають можливість пояснити з фізичної точки зору причини прояву нелінійності. Крім того, на нелінійність ВАХ сильно впливають різноманітні зовнішні дії: магнітне поле, механічна деформація, освітлення, зміна температури та ін.
У матеріалах напівпровідників від’ємна диференціальна провідність обумовлює доменну електричну нестійкість N-типу [3] або ВАХ S-типу. Причиною нелінійності ВАХ можуть бути як польові ефекти [4], так і теплова дія струму [5]. Проте можливим є механізм термопольової йонізації домішкового центра, тобто комбінований тип термічної й польової йонізації [6]. Існують прямий і каскадний механізми термопольової йонізації з основного стану рівня через перший збуджений рівень у зону провідності. Залежність ймовірності йонізації домішкового центра в напівпровідникові від напруженості прикладеного електричного поля змінює його ВАХ так, що стають помітними відхилення від закону Ома.
Цікавим є механізм прояву S-подібності ВАХ у сильнолегованих і одночасно компенсованих напівпровідниках [7]. При низьких температурах і великих ступенях компенсації (вище 75 %) електрони перебувають в ізольованих краплях, і електро-провідність такого матеріалу дуже низька. Електричне поле “гріє” електронну підсистему і різко збільшує заселеність станів з великою рухливістю. Це і призводить до появи від’ємного диференціального опору. Таке явище аналогічне до теплового пробою. Але в цьому випадку нагрівається тільки електронна підсистема, а температура решітки залишається незмінною. Тому досліджуване явище можна назвати тепловим пробоєм електронних крапель. Якщо ж ступінь компенсації матеріалу менша 75 %, ВАХ не матиме S-подібного характеру, оскільки енергія активації виникає тільки при великих ступенях компенсації. Слід додати також, що в цьому випадку критичне електричне поле сильно збільшується з ростом ступеня компенсації.
Не тільки тепловий пробій або комбінована термопольова йонізація призводять до виникнення ділянок ВАХ з від’ємною диференціальною провідністю (ВДП). В електронному германії з домішками міді або золота спостерігається явище збільшення коефіцієнта захоплення гарячих носіїв на від’ємно заряджені домішкові центри. Це явище ефективно проявляється в умовах світлової генерації носіїв [3] і обумовлює ділянку ВАХ з ВДП.
Дискретні метастабільні стани (високоомний і низькоомний) спостерігаються як у моноатомних, так і складних напівпровідникових сполуках [8]. Під дією електричного поля стехіометричні ниткоподібні монокристали Sb2S3 перемикаються з високоомного у низькоомний стан. Експеримент доводить, що названий ефект викликаний зміною напівпровідникової провідності на металічну і пов’язаний з нагріванням кристала в момент дії електричного поля. Кристали зі стабільного низькоомного стану у високоомний стан повертаються під впливом сильного високочастотного або надвисокочастотного полів або нагрівання.
У складних напівпровідникових монокристалах селеніду цинку, сульфіду кадмію, селеніду кадмію та ін. в умовах ТЕН експериментально зафіксовані коливання струму [9, 10]. В області азотних температур в монокристалах селеніду кадмію отримано залежності періоду коливань від освітленості зразка, прикладеної напруги, температури зразка, а також температурні залежності амплітуди коливань. Коливання існують тільки в певній області температур і освітленостей. Їх причиною є виникнення осцилюючої в часі, але нерухомої області сильного електричного поля й підвищеної температури. Підвищення температури, звичайно, в середній частині кристала, в результаті джоулевого нагріву обумовлює ефект температурного гасіння фотопровідності. Якщо інтенсивність цього процесу достатньо велика, то у зразка виникає область сильного електричного поля. Тоді ВАХ такого зразка має ділянку з ВДП. У згаданій області електричне поле і температура періодично змінюються, викликаючи в колі коливання струму. Сама ж нестійкість обумовлена виникненням нерівноважного розподілу електронів внаслідок оптичної перезарядки рівнів із наступним спонтанним переходом у стан рівноваги.
Проте і в моноатомних напівпровідниках з глибокими рівнями також спостерігаються низькочастотні коливання струму в умовах ТЕН [11-13]. У сильно компенсованих зразках (р-Sі з домішками марганцю) динаміка ТЕН стає значно складнішою [14] аж до переходу до динамічного хаосу і автоколивної бістабільності. Перехід від регулярних автоколивань фотоструму до хаотичних здійснюється через ланцюжок біфуркацій подвоєння періоду коливань. Автоколивання струму, крім того, проявляють властивість гістерезису.
У сильнокомпенсованому напівпровідникові в умовах електронно-діркової плазми можливе збудження електричної нестійкості типу рекомбінаційних хвиль [15]. При сильних рівнях інжекції виникає суттєво відмінна від типу рекомбінаційних хвиль градієнтно-концентраційна нестійкість. Режим нестійкості типу рекомбінаційних хвиль є нічим іншим, як режимом хвиль просторової перезарядки глибоких рівнів [16], яка може бути обумовлена дією температури, освітлення чи електричного поля.
Від’ємний опір зразка сам по собі ще недостатній чинник для появи коливань. Однак коливання потрібних частот можуть виникати, якщо в кристалі є два різні типи центрів захоплення [17].
Завдяки огляду вищенаведених літературних даних, можна твердити, що необхідною умовою виникнення температурно-електричної нестійкості в напівпровідниках є наявність у їхній забороненій зоні глибоких енергетичних рівнів. Йонізація цих рівнів різними способами (освітленням, електричним полем, температурними змінами або комбінованим чином) дає можливість отримати S-подібну ВАХ напівпровідника і низькочастотні коливання струму як у низькопровідному, так і високопровідному станах. Тому, очевидно, будь-який зовнішній вплив на зміну положення енергетичного рівня в забороненій зоні повинен суттєвим чином відбитися на характері поведінки ВАХ. Hас цікавив вплив одновісних пружних деформацій (ОПД) на ВАХ монокристалів антимоніду кадмію.
Використані монокристали антимоніду кадмію з домішкою телуру, яка в забороненій зоні дає рівень Ес - 0,12 еВ, досліджувались у трьох кріогенних середовищах (рідкий азот Т=77К, рідкий аргон Т=87К і рідкий кисень Т=90К) в умовах впливу освітлення і ОПД. На рис. 1 подано статичні ВАХ монокристалів СdSb з різним вмістом легуючої домішки телуру. Як видно, збільшення концентрації легуючої домішки обумовлює ріст напруги перемикання. Навпаки, підвищення температури середовища від Т=77 К до Т=90К різко зменшує напругу перемикання (рис.2).
Рис 2. Вольтамперні характеристики зразка CdSb + 0,05 % Тe в різних кріогенних рідинах: 1 – рідкому азоті Т = 77 К, 2 – рідкому аргоні Т = 87 К, 3 – рідкому кисні Т= 90 К
Рис 1. Залежність виду статичних ВАХ від концентрації домішки в монокристалах CdSb: 1- 0,5% Те; 2- 0,05% Те; 3- 0,005% Те
Крім того, зафіксовано сильну залежність порогової напруги перемикання від інтенсивності світлового потоку. Зі збільшенням інтенсивності світлового потоку струм зростає, а напруга перемикання зменшується.
Цікавою особливістю впливу світлового потоку на ВАХ є те, що у високоомному стані залежність фотоструму від інтенсивності освітлення має лінійний характер, а після стрибка струму – нелінійний. Висока фоточутливість зразків спостерігається в спектральній області довжин хвиль 1 – 3 мкм з максимумом при 2,04 мкм.
Ми досліджували вплив ОПД до тисків 1000 кгс/см2 на ВАХ антимоніду кадмію вздовж головних кристалографічних напрямків [а00], [0в0] і [00с] в області азотних температур.
Експерименти довели, що такі тиски в усіх вище названих випадках практично не впливають на параметри температурно-електричної нестійкості. Це означає, що така дія не змінює величини енергетичної щілини між рівнем Ес - 0,12 еВ і дном зони провідності монокристала СdSb. Тому цілком правомірно в даному випадку зробити висновок про надзвичайно сильний генетичний зв’язок названого енергетичного рівня із зоною провідності. Такому характерові реакції рівня на вплив ОПД сприяє також і той факт, що нижча ступінь симетрії орторомбічної решітки CdSb у порівнянні зі структурами кубічної сингонії дозволяє значно сильніше проявитися об’ємній компоненті деформації. А остання, яка завжди присутня при ОПД, однаково діє як на рух рівня, так і на рух зони. Іншими словами, об’ємна деформація менш ефективно впливає на зміну положення енергетичних рівнів у матеріалах, ніж ОПД [18].
Отже, в монокристалах CdSb з домішкою телуру на ефект перемикання із високоомного стану у низькоомний впливати одновісною пружною деформацією неможливо.