3. Функциональная полупроводниковая электроника, приборы с зарядовой связью.

3.1. Физические основы

Функциональная полупроводниковая электроника является направлением в функциональной электронике, в котором изучаются взаимодействия динамических неоднородностей в полупроводниковых континуальных средах с физическими полями, а также возможность создания приборов и устройств для преобразования и хранения информации.

Одним из основных отличий приборов и устройств полупроводниковой функциональной электроники от аналогичных устройств полупроводниковой схемотехнической электроники является способ обработки информации. В приборах и устройствах функциональной электроники для обработки и хранения информации используются динамические неоднородности различной физической природы, в приборах же схемотехнической микроэлектроники — различные схемные решения на основе транзисторных структур.

Если в устройствах функциональной электроники развивается принципиально новый подход к методам обработки и хранения информации, связанный с использованием динамических неоднородностей в качестве носителей информационного сигнала, то в традиционных устройствах полупроводниковой электроники используются либо классические схемотехнические решения, известные со времен дискретной электроники, либо новые технические решения, использующие уникальные возможности микроэлектронной технологии, обязательно связанные с созданием в строго регламентируемых технологических процессах различных статических неоднородностей.

3.1.1. Динамические неоднородности в полупроводниках

В состоянии термодинамического равновесия электроны проводимости и дырки в полупроводниках движутся хаотически. Направленное движение, или дрейф, электроны и дырки приобретают под действием внешнего электрического поля . Скорость дрейфа определяется выражением

где µ — подвижность носителей заряда, значение которой лежит в пределах от 10⁵ до 10^-3 см2/Вс. Носители могут объединяться в группы, называемые зарядовыми пакетами. Величина зарядового пакета определяется количеством сконцентрированных носителей, его скорость перемещения в полупроводнике — соответствующими электрическими полями. Зарядовые пакеты, состоящие из электронов или дырок, представляют собой динамические неоднородности полупроводниковой природы. Величина зарядового пакета определяется физическими параметрами среды и топологией емкостной структуры:

Q = SCyдUм

где S— площадь затвора, — удельная емкость подзатворного диэлектрика, и — соответственно диэлектрические проницаемости окисла и вакуума, Uм — максимальное напряжение на затворе, hд — толщина подзатворного диэлектрика. Верхнее предельное значение поверхностной плотности зарядов оценивается величиной

Кл·см-2 = 3,13× 1012 электронов/см-2,

а нижнее —

Кл·см~2 =3,13×109 электронов/см-2.

Критический уровень величины зарядового пакета, соответствующий значению логической единицы, оценивается величиной

электронов/см2.

Если приложить к полупроводнику внешнее магнитное поле, перпендикулярное к направлению дрейфа носителей, то под действием силы Лоренца носители отклоняются в соответствии с известным эффектом Холла.

В сильных электрических полях напряженностью 102 103 В/см наблюдается изменение распределения носителей по энергии в сторону увеличения средней энергии. Изменяется подвижность, время свободного пробега, коэффициент диффузии. Разогрев носителей способствует возникновению горячих электронов и приводит к отклонению от закона Ома

E=ρI

где I — плотность тока, Е — напряженность электрического поля, ρ — удельное сопротивление полупроводника. Возникает отрицательное дифференциальное сопротивление (ОДС) или отрицательная дифференциальная проводимость (ОДП). Это явление связывают с переходом электронов, стимулированных электрическим полем зоны проводимости, из низкоэнергетической долины, в которой их подвижность относительно велика, в высокоэнергетические долины с меньшими значениями подвижностей носителей. Флуктуации концентрации свободных носителей в среде с объемным отрицательным удельным сопротивлением генерируют пространственный заряд.

Различают два типа полупроводников, обладающих объемной неустойчивостью. У некоторых полупроводников удельное сопротивление при определенных значениях напряженности поля резко и нелинейно увеличивается (Рисунок - 3.1, а). Приборы на таких полупроводниках имеют N-образную вольтамперную характеристику и относятся к полупроводникам с ОДП (Рисунок - 3.1, в). В полупроводниках такого типа возникают электрические домены, движущиеся по направлению тока (Рисунок - 3.1, д). Эти домены характеризуются тем, что их поле значительно больше, а концентрация носителей в них меньше, чем в остальной части полупроводниковой среды.

В этих полупроводниках возникает внутренняя положительная обратная связь по напряжению. Домены получили название доменов Ганна и также представляют собой динамические неоднородности. Линейные размеры таких доменов лежат в пределах нескольких микрон, скорость перемещения составляет ~ 10⁵ м/с, электрическое поле в нем достигает значения 10⁵ В/см. Если домен не образуется, то в полупроводниковой континуальной среде могут возникнуть волны пространственного заряда.

В другом типе полупроводников наблюдается падение удельного сопротивления с ростом напряженности электрического поля. Этот тип полупроводников относят к полупроводникам с ОДС. Приборы, изготовленные на основе таких полупроводников, имеют 5-образную характеристику с положительной обратной связью по току (Рисунок - 3.1, г). В приборах с S-образными ВАХ возникают динамические неоднородности с высокой плотностью тока, называемые токовыми шнурами (Рисунок - 3.1, е). Токовые шнуры могут быть использованы в качестве динамических неоднородностей только при условии, если плотность тока в шнуре существенно меньше значения пробоя полупроводника и последующего необратимого процесса его разрушения.

Рисунок - 3.1. Зависимость удельного дифференциального сопротивления от напряженности электрического поля для двух типов полупроводников: а, в — для приборов с доменами и N-образным ВАХ; б, г — для приборов стоковыми шнурами и S-образными ВАХ. Формирование домена сильного поля (б) и токового шнура высокой плотности (е)

В полупроводниках, обладающих пьезоэлектрическими свойствами (Те, Se, CdS, CdSe, ZnO, GaAs, InSb), в результате электрон-фононного взаимодействия поток носителей становится интенсивным излучателем упругих волн. Частным случаем электрон-фононного взаимодействия является акустоэлектронное взаимодействие. В результате обмена энергией между потоком дрейфующих электронов в электрическом поле в направлении распространения звуковой волны акустоэлектронное взаимодействие зависит от соотношения скорости дрейфа Vдр и скорости звука с. Если выполняется соотношение Vдр=µE0 < с, то волна поглощается электронным газом, а если Vдр > с — электроны отдают свою кинетическую энергию акустической волне. Как уже ранее описывалось, такие акустические волны также являются динамическими неоднородностями.

В электронной системе полупроводника, обладающего объемной отрицательной дифференциальной проводимостью, когда характерные масштабы изменения параметров среды, приложенного поля и концентрации носителей заряда существенно превосходят длины релаксации энергии и импульса электронов, возникает возмущение электронной плотности. Такие волны называются волнами пространственного заряда (ВПЗ). Так для GaAs в сильном (~ 3,5 10³ В/см) электрическом поле возникают волны пространственного заряда, движущиеся со скоростью ~ 10⁵ м/с. Фазовая скорость ВПЗ совпадает со скоростью дрейфа носителей заряда Vдр. Дисперсия ВПЗ несущественна вплоть до частоты 50 ГГц.

Волны пространственного заряда могут усиливаться при распространении. Этими волнами можно управлять, меняя вектор скорости дрейфа носителей. Длина когерентности в тонких полупроводниковых слоях может на два порядка превышать длину волны ВПЗ. Такие свойства ВПЗ как динамических неоднородностей делают их весьма перспективными в устройствах функциональной электроники.

В плазме полупроводника, находящегося в магнитном поле, могут возникнуть геликоны — слабо затухающие низкочастотные электромагнитные волны. Геликоны могут взаимодействовать со звуковыми волнами.

В плазме твердых тел могут возникать кванты плазменных колебаний — плазмоны, вызываемые созданием электрического поля за счет флуктуации плотности заряда. В свою очередь электрическое поле в плазме вызывает ток носителей, стремящийся восстановить локальную электронейтральность. Вследствие инерционности носителей, проскакивающих положение равновесия, возникают кванты коллективных колебаний со спектром, определяемым зонной структурой. Плазмон является квазичастицей, способной переносить информационный сигнал.

В полупроводниковых кристаллах могут распространяться фононы — квазичастицы, соответствующие волне смещения атомов (ионов) и молекул из положения равновесия. Фононы взаимодействуют друг с другом, с другими квазичастицами, а также с дефектами кристаллической решетки. С помощью фононов осуществляется связь всех квазичастиц твердотельной континуальной среды с окружающей средой. В аморфных средах понятие фононов вводится для длинноволновых акустических колебаний.

Интерес вызывают поляроны. Это квазичастицы, состоящие из носителей в полупроводнике (электрон или дырка) и фонона, образованного деформацией и поляризацией кристаллической решетки за счет движения в полупроводнике Электрона проводимости (дырки). Такая составная квазичастица движется по кристаллу как единое целое, она способна переносить заряд. Эффективная масса полярона значительно превышает эффективную массу электрона. Поляроны могут служить носителями заряда в кристалле. Возможно образование биполяронов, представляющих собой связку двух электронов в общей деформационной яме. По своей природе поляроны близки к флуктуонам.

В полупроводниковых континуальных средах наблюдаются и другие квазичастицы. Речь идет об экситонах, представляющих собой связанное состояние электрона проводимости и дырки. Такая квазичастица электрически нейтральна и не способна переносить заряд и массу. Различают по два типа экситонов.

Экситоны Френкеля возбуждаются в узлах кристаллической решетки и благодаря межмолекулярным взаимодействиям они распространяются по кристаллу в виде волны.

Экситоны Ванье — Momma представляют собой водородоподобное связанное состояние электрона и дырки. Время жизни экситонов достаточно мало. Они исчезают в результате рекомбинации с излучением фонона и фотона, а также при захвате дефектами решетки. Именно это обстоятельство затрудняет использование экситонов в качестве динамических неоднородностей в устройствах функциональной электроники.

Если экситонный газ освещать, то в результате взаимодействия экситонов с энергией ε и

фотонов частоты рождается составная квазичастица — поляритон. Свойства поляритонов отличаются от свойств экситонов и фотонов. Их наличие в полупроводниках существенно влияет на оптические спектры последних.

При дискретном туннелировании одного электрона возникают импульсы тока I, определяемые соотношением

А·с.

Такой импульс тока может быть использован в качестве динамической неоднородности.

Перечисленные типы динамических неоднородностей являются наиболее заслуживающими внимание и не исчерпывают весь их перечень.