АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СРЕДА НА ОСНОВЕ КОМПЕНСИРОВАННОГО КРЕМНИЯ Текст научной статьи по специальности «Физика»

PPSUTLSC-2024

PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS TO THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 2IST CENTURY

tashkent, e-e may 2004 www.in~academy.uz

АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СРЕДА НА ОСНОВЕ КОМПЕНСИРОВАННОГО КРЕМНИЯ

1 Нурулло Ф.Зикриллаев 2 Кутуп Аюпов 3 Манзура Шоабдурахимова 4 Сатторов Абдужалол 5 Нигора

Абдуллаева 6 Барно Ибрагимова

Ташкентский государственный технический университет, 100095, Узбекистан, г. Ташкент, ул. Университетская 2, e-mail: [email protected] https://doi.org/10.5281/zenodo.13382774 Аннотация: В работе приводятся результаты экспериментальных исследований автоколебаний тока типа рекомбинационных волн (РВ) в кремнии, легированном примесными атомами селена и марганца. Автоколебания в компенсированных образцах кремния обнаружены при комнатной температуре и достаточно низких значениях напряженности электрического поля. Определены зависимости параметров РВ (амплитуда и частота) от удельного сопротивления и концентрации образованных нанокластеров примесных атомов селена и марганца. На основе полученных результатов исследований РВ в кремнии, легированном примесными атомами селена и марганца, можно создать автоколебательные среды с амплитудно-частотным выходом.

Ключевые слова:автоколебания, рекомбинационные волны, электрическое поле, излучение, температура, кремний, селен, марганец, амплитуда, частота, энергия фотонов

1 ВВЕДЕНИЕ

Всесторонние и комплексные исследования автоколебательных процессов обнаруженных в компенсированном кремнии легированного примесными атомами создающие глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне показали, что если управлять термодинамическими условиями существования (напряженность электрического поля, освещение, температура и др.), то можно получить несколько видов неустойчивостей тока с различными природами возбуждения в одном и том же материале [1-4].

Установлено, что многие параметры наблюдаемых автоколебаний тока в компенсированном кремнии перекрывают граничные области существования друг друга по температуре, напряженности электрического поля, удельному сопротивлению и типу проводимости материала. В образцах компенсированного кремния, легированного примесными атомами селена и марганца в одном материале наблюдались три вида автоколебаний тока. Результаты исследований дают возможность создания автоколебательной среды в компенсированном кремния и получить широкий спектр формы, частоты и амплитуды автоколебаний тока.

Из анализа полученных результатов исследования установлено, что в отличии от низкочастотных автоколебаний тока, обнаруженных в других полупроводниковых материалах и структурах в кремнии, диффузионно-легированном

примесными атомами селена и марганца автоколебания возбуждаются в широком интервале интенсивности интегральной освещенности и длины волны монохроматического излучения [5,6].

2 ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве исходного материала был использован монокристаллический кремний p-типа проводимости с удельным сопротивлением р~1 Омсм (марки КДБ-1), с концентрацией остаточного кислорода N0 ~ 5^7 1017 см-3. Диффузия примесных атомов селена и марганца проводилась из газовой фазы по новой разработанной низкотемпературной двухэтапной диффузии и были получены образцы компенсированного и перекомпенсированного кремния Si<Se> и Si<Mn> с удельным сопротивлением р=102^105 Омсм, p- и п-типом проводимости. Экспериментальные результаты показали, что при диффузионном легировании кремния примесными атомами селена по стандартной технологии [7,8], не только происходит очень сильная эрозия поверхности исходного материала, но и не удается получить образцы, однородно легированные с определенными концентрациями примесных атомов селена и марганца в кремнии. Разработанная низкотемпературная двухэтапная диффузионная технология легирования, позволило получить компенсированный кремний с различными

PPSUTLSC-2024

PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS ID THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 21ST CENTURY

Tashkent«, may 20« www.in~academy.uz

удельными сопротивлениями и типами проводимости. Легирование кремния осуществилось в интервале температур Т = 30-1250°С, в первом этапе диффузии скорость нагрева составляла 5°С/мин с выдержки при температуре Т = 650°С в течении 1 = 30 мин. После этого температура в печи поднимался до температуры диффузии (Т=1050-1250°С) и производился второй этап диффузии в течении до 1=1 часа. Кроме того, во время диффузии контролировалось давление паров диффузанта примесных атомов в кварцевой ампуле [9]. Такая технология легирования позволила полностью исключить эрозию поверхности и обеспечить получение компенсированного кремния, однородно легированного примесными атомами селена и марганца.

Si<S

e>

Р-

типа пров одим ости

3,510

МО5

30-5 0

10-20 0

51

0221 04

1051,610-4

170-3 50

Si<M n>

Р-

типа

и

n-

типа пров одим ости

2103 -810

20-4 0

10-20 0

102 51

05

106-10

-5

200-3 50

4

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ

Полученные экспериментальные результаты показывают, что автоколебания тока типа рекомбинационных волн (РВ) в наблюдаемых компенсированных образцах кремния в отличие от обнаруженных в других полупроводниковых материалах, возбуждаются в более высоких значениях температуры (Т=170-350°С) и относительно низком значении напряженности порогового поля Еп. Автоколебания наблюдались в достаточно широкой области удельного сопротивления образцов от р=3,5102-105 Омсм, как в темноте, так и при освещении интегральном светом. Электрофизические и основные условия, а также параметры при которых наблюдаются автоколебания тока в кремнии, легированном примесными атомами селена и марганца показаны в таблице 1.

Table 1.

Электрофизические параметры при котором

наблюдаются автоколебания тока в кремнии

Мат Удел Пор Осве Ча Амп Темп

ериа ьное огов щеми сто лит ерату

л сопро ое е та, уда, рная

тивле поле интег Гц мА облас

ние, возб раль ть, К

Ом ужде ным

см ния, В/см свето м, люкс

Как показали результаты исследований, меняя температуру или электрическое поле можно получить автоколебания с различной амплитудой и частотой. Установлены закономерности изменения основных параметров автоколебаний в зависимости от удельного сопротивления, температуры и электрического поля.

Исследованием установлено, что область существования автоколебания в зависимости от интенсивности освещения как интегральным светом, так и монохроматическом излучением с ростом электроактивной концентрации примесных атомов существенно расширяется. Установлено закономерность изменения условий возбуждения и изменение параметров автоколебаний в зависимости от электроактивных концентраций

компенсирующих примесных атомов, что позволило получить в широком интервале температур регулярные, стабильные и воспроизводимые колебания с параметрами.

Как показали результаты исследования, параметры автоколебаний существенно зависят от приложенного электрического поля и интенсивности освещения, что и позволяет получить автоколебания с заданными параметрами. На рис. 1. представлены зависимости частоты автоколебания тока от напряженности электрического поля для образцов с различным удельным сопротивлением при Т=300 К. Как следует из результатов измерения, зависимость частоты автоколебания от напряженности электрического поля / (Е) состоит из явно выраженных двух участков.

PPSUTLSC-2024

PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS TO THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 2IST CENTURY

TASHKENT, в-8 MAY 2024

www.in-academy.uz

16000 -| 14000 -12000 -10000 -8000600040002000-

f Гц

Е, В/см

20

40

60 80 100 120

Рис. 1. Зависимость частоты автоколебаний тока от напряженности электрического поля в образцах с различным удельным сопротивлением р-Si<Se> 1. р=3,5 102 Ом см, 2. р=1,8 103 Ом см, 3. р=4 104 Омсм.

На первом участке частота автоколебания слабо меняется от приложенного напряженности электрического поля, а при Е>Ем, начинается второй участок, где частота автоколебания существенно увеличивается с ростом приложенного поля. Следует отметить, что с ростом удельного сопротивления не только увеличивается значение Еп и Ем, но также наблюдается существенный рост частоты автоколебания. Эти результаты показывают, что для образцов Si<Se> с заданным удельным сопротивлением, существует

определенная пороговая напряженность

электрического поля, при котором возбуждаются автоколебания тока. С ростом удельного сопротивления образцов существенно расширяется область существования автоколебания тока по электрическому полю, а также существенно растет частота автоколебаний 7=(500-1,6 104) Гц. Результаты исследования показывают, что управляя удельным сопротивлением образцов, можно изменить частоту автоколебаний в достаточно широкой области.

Интересные результаты были получены при исследовании влияния интенсивности

интегрального освещения на параметры автоколебаний тока (рис. 2). Анализ результатов исследований позволяют выделить следующие закономерности:

1) освещение приводит к увеличению частоты автоколебания, в 12-15 раз при изменении интенсивности света в диапазоне I =(0-200) люкс.

2) с ростом интенсивности света протяженность первого участка, где частота зависит от Е сужается, а значения Еп смещается в сторону низких напряженностей электрических полей.

3) значение Ем при которых срывается автоколебания тока, так же смещается в сторону низких электрических полей, а при достаточно высоких интенсивностях света I > 1000 люкс происходить срыв автоколебаний тока.

Е, В/см

20 40 60 80 100 120

Рис. 2. Зависимости частоты автоколебаний тока (/) от напряженности электрического поля в образцах с удельным сопротивлением р=1,8103 Омсм, Т=300К при

1- в темноте, 2- 1=20 люкс, 3- 1=100 люкс, 4- 1=200 люкс.

Влияние напряженности электрического поля и интенсивности освещения на амплитуду (I) автоколебаний представлено на рис 3.

Зависимость амплитуды автоколебания тока от величины напряженности электрического поля также можно разделить на два участка. На первом участке амплитуда автоколебания тока практически линейно увеличивается с ростом электрического поля и достигает своего максимального значения при Е=Ем. На втором участке, где Е>Ем, амплитуда уменьшается также линейно до значения Ес, при которой наблюдается срыв автоколебания, с ростом интенсивности освещения значения Ес и Ем смещаются в сторону меньших значений напряженностей электрического поля.

PPSUTLSC-2024

PRACTICAL PROBLEMS AND SOLUTIONS TO THE USE OF THEORETICAL LAWS IN THE SCIENCES OF THE 2IST CENTURY

TASHKENT.MM.Y20M WWW.in-aCademy.UZ

J, А

Рис. 3. Зависимость амплитуды автоколебания от напряженности электрического поля в образцах с р=1,8103 Омсм, Т=300 К при 1-темноте 2- 1=20 люкс, 3- 1=100 люкс, 4- 1=200 люкс.

4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные экспериментальные результаты показывают, что автоколебания тока в компенсированном кремнии, в отличие от обнаруженных в других полупроводниковых материалов и структур, возбуждаются в области комнатной температуры и имеют достаточно низкое значение порогового поля (Еп). Автоколебания существуют в достаточно широкой области удельного сопротивления образцов 8К8е>, 8КМп>, как в темноте, так и при освещении интегральным светом. Показана возможность управления частотой и амплитудой автоколебания тока с помощью электрического поля и интенсивности освещения. Эти особенности автоколебания тока в компенсированном кремнии не только позволяют создать твердотельные генераторы звуковых частот с управляемыми параметрами, работающие при комнатной температуре при небольшой пороговой напряженности электрического поля, но и существенно расширяют их функциональные возможности в разработке новых классов датчиков физических величин и элементов памяти. На основе полученных результатов исследований РВ в кремнии, легированном примесными атомами селена и марганца, можно создать автоколебательные среды с амплитудно-частотным выходом.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Зикриллаев, Н.Ф., Аюпов, К.С., Шоабдурахимова, М.М., Уракова, Ф.Э., Неъматов, О.С. Автоколебательные процессы в кремнии, проблемы и перспективы исследования и применение их в электронике. Электронная обработка материалов. (2003), т. 59, в. 5, с. 56-71.

[2] Голик, Л.Л., Паксеев, В.Е., Балкарей, Ю.И., Елисон, М.И., Ржанов, Ю.А., Якушкин, В.К. Автоколебательные режимы в кристаллах сульфида кадмия при наличии температурной электрической неустойчивостью. Физика и техника полупроводников. (1984), т. 18, в. 3, с. 502.

[3] Arzikulov, Eshkuvat U., Radzhabova, M., Quvondiqov, Sh.J., Gulyamov, G. Mechanisms of current transition in high compensated silicon samples with zinc nanoclusters. East European Journal of Physics. (2023), 3, pp. 400-405.

[4] Саъдуллаев, А.Б., Мулканов, Р.В., Умиров, А.П., Бобакулов, З.А. Влияние концентрации электроактивных компенсирующих примесей марганца на температурную область существования автоколебания тока типа температурно-электрической неустойчивости (ТЭН). Universum: технические науки: электроника. (2022), т. 8, в. 101, с. 5-8.

[5] Zikrillaev, Nurulla F., Ayupov, Kutup S., Shoabdurakhimova, Manzura M., Urakova, Feruza E., Abduganiev, Yoldoshali A., Sattorov, Abdujalol A., Karieva, Latofat S. Effect of Compensation Degree and Concentration of Impurity Electroactive Selenium Atoms on Current Auto-oscillation Parameters in Silicon. East European Journal of Physics. (2023), 4, pp. 251-257.

[6] Зикриллаев, Н.Ф., Норкулов, Н., Шоабдурахимова, М.М., Сатторов, А.А., Абдурахмонов, С. Низкочастотные автоколебания тока в кремнии, легированного атомами селена. Доклады Академии наук РУз. (2023), т. 5, с. 38-44.

[7] Таскин, А.А., Тишковский, Е.Г. Образование квазимолекул Se2 в кремнии легированном селеном. Физика и техника полупроводников, (1998), т. 32, № 11, с. 1306.

[8] Бахадырханов, М.К., Аскаров, Ш.И., Нигманходжаев, С.С., Самигов, К.А., Шарипов, Б.З., Пармоанкулов, И.Л. Автоколебания тока в кремнии, легированном серой. Физика и техника полупроводников. (1987), т.21, в. 7, с. 1315-1317.

[9] Бахадырхонов, М.К., Зикриллаев, Н.Ф., Арзикулов, Э.У. Влияние упругости паров диффузанта на концентрацию электроактивных атомов и степень компенсации образцов Si<Zn>. Письма ЖТФ. (1991), т. 17, в. 12, с. 1-4