CC BY
12
PHYSICO-MATHEMATICAL SCIENCES
INFLUENCE OF THE CONCENTRATION OF NANOCLUSTERS OF IMPURABLE MANGANESE ATOMS ON THE PARAMETERS OF AUTO-OSCILLATION OF THE CURRENT Sadullaev A^.1, Umirov A.R2, Bobakulov FA.3 (Republic of Uzbekistan) Email: [email protected]
1Sadullaev Aloviddin Bobakulovich - Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor;
2Umirov Asror Pardaevich - Assistant, DEPARTMENT OF ELECTRIC POWER ENGINEERING;
3Bobakulov Farrukh Aloviddin ugli - Student, DIRECTION: HEAT POWER ENGINEERING, KARSHI ENGINEERING AND ECONOMIC INSTITUTE, KARSHI, REPUBLIC OF UZBEKISTAN
Abstract: the article presents the results of a study of the effect of the concentration of nanoclusters of manganese impurities on the conditions of excitation and the parameters of the current self-oscillation in silicon under conditions of strong compensation. The optimal conditions for the excitation of stable current self-oscillations of the type of temperature-electric instability with specified physical parameters are determined. The possibilities of creating a new generation of highly sensitive multifunctional sensors of physical quantities based on highly compensated silicon with manganese nanoclusters are shown. Keywords: highly compensated silicon, nanoclusters, self-oscillations of current, photosensitivity, spectral region.
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НАНОКЛАСТЕРОВ ПРИМЕСНЫХ АТОМОВ МАРГАНЦА НА ПАРАМЕТРЫ АВТОКОЛЕБАНИЯ ТОКА
1 2 3
Саъдуллаев А.Б. , Умиров А.П. , Бобакулов Ф.А. (Республика Узбекистан)
1Саъдуллаев Аловиддин Бобакулович - кандидат физико-математических наук, доцент; 2Умиров Асрор Пардаевич - ассистент, кафедра электроэнергетики;
3Бобакулов Фаррух Аловиддин угли - студент, направление: теплоэнергетика, Каршинский инженерно-экономический институт, г. Карши, Республика Узбекистан
Аннотация: в статье изложены результаты исследования влияния концентрации нанокластеров примесей марганца на условия возбуждения и параметров автоколебания тока в кремнии в условиях сильной компенсации. Определены оптимальные условия возбуждения стабильных автоколебаний тока типа температурно-электрической неустойчивости с заданными физическими параметрами. Показаны возможности создания нового поколения высокочувствительных многофункциональных датчиков физических величин на основе сильнокомпенсированного кремния с нанокластерами марганца. Ключевые слова: сильнокомпенсированный кремний, нанокластеры, автоколебания тока, фоточувствительность, спектральная область.
УДК 662.472
Введение.
Исследование фото и термоэлектрических свойств кремния с различными концентрациями нанокластеров примесей марганца в условиях сильной компенсации представляет большой научный и практический интерес. Такие исследования не только позволяют управлять формой и параметрами автоколебаний тока типа температурно-электрической неустойчивости (ТЭН), но и создать новый класс более чувствительных функциональных приборов на их основе.
Анализ опубликованных экспериментальных данных авторов [1, 2, 3] показали, что кремний с многозарядными нанокластерами примесных атомов марганца обладает уникальными электрофизическими свойствами, существенно расширённой областью температурной и спектральной фоточувствительности, а также показаны возможности создания принципиально новых классов электронных приборов на основе кремния с нанокластерами марганца [4, 5].
Объект исследования.
В данной работе объектом исследования является сильнокомпенсированный кремний с нанокластерами марганца. Для исследования в качестве исходного материала был выбран монокристаллический кремний р-типа марки КДБ с удельными сопротивлениями р = 1 ;1 0 ;1 0 0 ;2 00 Омсм, где концентарация бора составляла
см
В качестве компенсирующих примесей был выбран марганец, так как марганец химически активно взаимодействуют с другими дефектами кристаллической решётки, а также нами хорошо отработана термодиффузионная технология получения сильнокомпенсированного кремния легированного марганцем с заданными и воспроизводимыми параметрами. Для получения сильнокомпенсированного кремния с различной концентрацией нанокластеров, диффузия марганца производилась из газовой фазы в специальных вакуумированных кварцевых ампулах, при этом в каждую ампулу было помещено по 10 образцов исходного материала, чтобы обеспечить одинаковые условия легирования и скорости охлаждения. После диффузии марганца, были получены образцы сильно компенсированного кремния с объемными нано кластерами, концентрация которого составляла см
Методы исследования
Электрофизические и фотоэлектрические свойства кремния с нанокластерами марганца изучались методом эффекта Холла и на установке ИКС-21 снабженной специальным криостатом, позволяющей исследовать спектральную зависимость фотопроводимости в широком интервале температур, электрического поля, различной интенсивности фонового и инфракрасного монохроматического освещения.
Результаты эксперимента и их обсуждение.
Результаты исследований показали, что в образцах с нанокластерами примесей марганца, где концентрация см не наблюдаются автоколебания тока
типа ТЭН.
Показано, что максимальная концентрация нанокластеров примесей марганца в кремнии могут быть достигнуть до значения см , которого
ограничивается с предельной максимальной растворимостью марганца в кремнии. Таким образом, установлены концентрационная область нанокластеров марганца в кремнии, при котором наблюдается автоколебания тока типа ТЭН находится в интервале см . Как показали результаты эксперимента
основные характеристики и их параметры образцов р^г^^^ в основном зависят от концентрации нанокластеров примесей марганца. Исходя из этих данных на рис.1 представлена зависимость пороговой напряжённости электрического поля ЕП (минимальное значение напряжённости электрического поля, при котором наблюдается стабильные и регулярный автоколебания тока типа ТЭН) от концентрации нанокластеров примесей.
Рис. 1. Зависимость пороговой напряжённости электрического поля ЕП от концентрации
нанокластеров марганца
Для оценки влияние только объёмной концентрации нанокластеров примесей во всех исследованиях условия эксперимента, удельное сопротивление образцов р-Si<B,Mn> и их геометрические размеры были одинаковыми, т.е. р « 1 0 5 Омсм , 4X3X1 мм3.
Как видно из рисунке, значение пороговой напряжённости электрического поля уменьшается с ростом концентрации объёмных нанокластеров примесей марганца в образцах р^г^^^. При этом установлено, что с увеличение концентрации нанокластеров примесей марганца от Nмп = 1 0 1 4 см~3 до Nмп = 2 ■ 1 0 1 6 см ~3 пороговая напряжённость электрического поля возбуждения ТЭН, уменьшается почти в 4 раза. Это означает, что выбирая материал с более высокой концентрацией нанокластеров примесей марганца в кремнии можно возбуждать автоколебания тока ТЭН при более низких электрических полях. Таким образом, установлены область пороговой напряженности электрического поля существования автоколебания тока типа ТЭН в образцах с
нанокластерами примесей марганца.
Результаты исследования показали, что в контрольных образцах без нанокластеров примесей марганца во всех условиях эксперимента автоколебания тока ТЭН не наблюдается. Эти результаты исследования свидетельствуют о том, что основной причиной возникновения автоколебания тока ТЭН в кремнии являются объёмные нанокластеры примесей марганца.
Известно, что нанокластеры примесей марганца в кремнии находятся в многозарядных и метастабильных состояниях [3, 4]. С изменением условия эксперимента (электрическое поле, освещённость температура образца) существенно изменяется зарядовое состояние нанокластеров примесей марганца. Поэтому для оценки влияния концентрации и зарядовых состояний нанокластеров примесей марганца на параметры автоколебания тока ТЭН, исследованы зависимость амплитуды (разница максимальных и минимальных значений тока) от энергии падающих фотонов монохроматического излучения. На рис.2 приведены результаты исследования спектральной зависимости амплитуды автоколебания тока при различных значениях концентрации нанокластеров примесей марганца. При этом все условия эксперимента (электрическое поле, удельное сопротивление, геометрические размеры образцов, мощность монохроматического излучения) были одинаковыми. Как видно из рисунка с ростом концентрации нанокластеров примесей марганца энергия фотонов соответствующая началу возбуждения автоколебаний тока смещается в сторону меньших энергией, как в образцах р^^^п^ где концентрация нанокластеров примесей составляла см автоколебания
тока наблюдаются при энергии фотонов //V = 0 , 6 2 эВ, а в образцах с таким же удельным сопротивлением, но концентрация нанокластеров примесей составляло ЫМп = 1 ,4-1 0 1 4 см~3, для возбуждения автоколебаний тока энергия падающих фотонов монохроматического излучения на поверхности образца должна быть //V > 1 , 1 эВ.
0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1туэВ
Рис. 2. Спектральная зависимость амплитуды автоколебания тока при различных значениях концентрации нанокластеров марганца
1.NMn=2■ 1016 см-3. 2.NMn=1,5■ 101 см 3МШ=2-1014 см
Результаты исследования показали, что в отличие от других материалов в кремнии с объёмными нано кластерами примесей марганца регулярные и стабильные автоколебания тока наблюдаются при одновременных освещениях монохроматическим и фоновым (интегральном) светом. Как показали результаты исследования с ростом концентрации нанокластеров примесей марганца монотонно увеличивается амплитуда автоколебаний тока и существенно расширяется область интенсивности фонового освещения существования автоколебаний тока.
Заключение.
На основе полученных экспериментальных результатов определены оптимальные условия возбуждения регулярных и стабильных автоколебаний тока при различных значениях концентрации нанокластеров примесей марганца в кремнии.
- Управляя концентрацией нанокластеров примесей марганца в образцах р-Si<B,Mn> можно управлять формой и параметрами автоколебаний тока в большом интервале, т.е. при этом частота автоколебаний тока меняется в интервале
1 0 4 Гц, амплитуда / = 1 0 "6 —1 А с коэффициентом модуляции К ^ 10 0 % .
- Параметры автоколебаний тока сильно зависят от внешних воздействий (освещенности как монохроматического, так и интегрального света, электрического и магнитного поля и т.д.). Такая чувствительность параметров автоколебаний тока даёт возможность создать функциональные высокочувствительные датчики с уникальными свойствами на основе сильнокомпенсированного кремния р-Si<B,Mn> с нанокластерами марганца.
Список литературы /References
1. Bakhadyrkhanov M.K., Mavlyanov A.Sh., Sodikov U.Kh., Khakkulov M.K. Silicon with
Binary Unit Cells as a Novel Class of Materials for Future Photoenergetics //Applied
Solar Energy, 2015. Vol. 51. №№ 4. Рp. 258-261.
2. Бахадырханов М.К., Зикриллаев Н.Ф., Хамидов А., Саъдуллаев А.Б. О концентрации электроактивных атомов элементов переходных групп в полупроводниках. //UZBEK JOUNAL OF PHYSIKS. Volume 2. Namber 3, 2000, Р. 221-225.
3. Zikrillaev N.F., Sadullaev A.B. Power spectra of impurity in semiconductors in the condition of strong compensation.//SSP-2004. 8-th International Conference SOLED STATE PHYSICS, August 23-26, 2004. Almaty. Kazakhstan Abstracts Almaty-2004. Рp-254-255.
4. Бахадирханов М.К., Валиев С.А., Насриддинов С.С., Эгамов У.Особенности термических свойств сильнокомпенсированного Si<B,Mn>. // Неорганические материалы. Т. 45. № 11. Ноябрь, 2009. Стр. 1291-1293.
5. Саъдуллаев А.Б. Особенности комплексообразования между примесными атомами марганца и кислорода в кремнии. //«Молодой учёный». № 12, 2014. С. 50-52.
