Дипломная (вкр): Изучение шумовых свойств полупроводников

Изучение шумовых свойств полупроводников

Содержание

Введение

. Литературный обзор

.1 Электрические методы исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств полупроводников

.1.1 Вольтамперная характеристика

.1.2 Вольтфарадная характеристика, вольтсименсная характеристика

.1.3 Метод нестационарной спектроскопии глубоких уровней, фотопроводимость

.1.4 Фото-электродвижущая сила

.1.5 Фотоемкостной эффект

.2 Наблюдение фотостимулированных эффектов в полупроводниках

.2.1 Фотостимулированные преобразования в элементарных полупроводниках

.2.2 Фотостимулированные преобразования в полупроводниках A^IIIB^V

.3 Модели фотостимулированных изменений в полупроводниках

Выводы по главе 1

. Теоретическое рассмотрение шумовых свойств фоторезисторов при совместном действии напряжения и фоновой засветки

.1 Экспериментальные результаты по шумам фоторезисторов из CdSe

.2 Расчет фотопроводимости и напряжения шума при действии фоновой засветки

.3 Расчет дисперсии флуктуаций числа носителей заряда в примесно-дефектных полупроводниках при действии фона

.4 Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических результатов

Выводы по главе 2

. Модельные представления о формировании электрических свойств в поликристаллических материалах при фоновой засветке

3.1 Математическая модель изменения шума фоторезистора при действии фона

.2 Физическая модель формирования шума в поликристаллических полупроводниках при действии фона

Выводы по главе 3

Заключение

Список использованных источников

Приложение А. Решение интеграла

Введение

Изучение шумовых свойств полупроводников в сочетании с внешними воздействиями способно дать информацию, недоступную другим методам. Так, наличие фоновой засветки способно качественно и количественно изменить шумовые свойства полупроводникового прибора, изготовленного из кремния и соединений A^IIB^VI (GaAs, InSb). Эти изменения могут использоваться как на практике, так в научных исследованиях, поскольку помогают глубже понять механизмы перестройки дефектной структуры полупроводника при допороговых воздействиях. Ввиду многих причин флуктуации заряда в полупроводнике механизмы изменения шума в полупроводниковых соединениях типа CdSe при засветке до настоящего времени не установлены.

Ранее при исследовании шумовых свойств фоторезистора на основе CdSe получены экспериментальные зависимости плотности шума от напряжения смещения и уровня фоновой засветки. Расчет дисперсии числа носителей заряда в полупроводниках является довольно сложным процессом, учитывающим влияние множества факторов. Одним из таких факторов является воздействие фоновой засветки на образец, сложным образом влияющей на зависимости шумового напряжения от параметров эксперимента. Объяснение этому влиянию не может быть дано в рамках классических представлений о структуре полупроводника и механизмах формирования шума.

Целью работы является установление физических механизмов формирования шума в полупроводниковых соединениях A^IIB^VI и построение физико-математической модели их формирования в фоторезисторах из поликристаллического n-CdSe, объясняющей возникновение одного или нескольких минимумов шумового напряжения при определенных значениях напряжения смещения и мощности фоновой засветки.

Указанная цель достигается решением следующих задач:

а) изучение монографий и периодических изданий по структуре полупроводниковых соединений A^IIB^VI и их электрическим свойствам;

б) изучение периодической литературы по фотоэлектрическим и шумовым свойствам полупроводниковых соединений A^IIB^VI в частности CdSe;

в) рассмотрение влияния фоновой засветки на фотопроводимость и шумовое напряжение полупроводниковых фоторезисторов;

г) расчет дисперсии флуктуации числа носителей заряда по теореме Лэкса;

д) учет флуктуации неравновесных носителей сгенерированных засветкой, в формировании шумового напряжения фоторезистора;

е) рассмотрение математической модели влияния засветки на шумы фоторезисторов из n-CdSe;

ж) построение физической модели формирования электрических свойств в поликристаллическом соединении A^IIB^VI.

1. Литературный обзор

1.1 Электрические методы исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств полупроводников

1.1.1 Вольтамперная характеристика

Вольтамперные характеристики полупроводникового прибора могут сниматься в темноте и при действии освещения. В первом случае измеряемая вольтамперная характеристика (ВАХ) отражает фундаментальные свойства прибора, связанные с его легированием, наличием структурных дефектов и т.д. В случае измерения ВАХ при освещении исследуются изменения токопроводящих свойств прибора, вызванные появлением неравновесных носителей заряда.

При различных величинах светового потока на фотоэлемент подают постоянное напряжение и измеряют протекающий через него ток. При приложении положительного напряжения (прямого напряжения) на анод фотоэлемента измеряется прямая ветвь ВАХ, а при подаче отрицательного напряжения (обратного напряжения) измеряется обратная ветвь. Ток, протекающий через фотоэлемент, зависит от величины светового потока, падающего на него от лампы. Если прямая ветвь ВАХ зависит от напряжения по сверхлинейному закону (например по экспоненциальному закону), то появление в приборе фотоЭДС приводит к изменению падения напряжения на исследуемом приборе, что в силу сверхлинейной зависимости тока от напряжения приводит к резкому снижению прямого тока. В этом случае ВАХ с освещением показывает как меняется фоточувствительность полупроводникового прибора с изменением напряжения смещения на нем.

Существует несколько разновидностей методик измерения ВАХ, связанных с изменением формы прикладываемого напряжения смещения. При подаче напряжения смещения в виде импульсов с медленно изменяемой амплитудой, удается зарегистрировать процессы быстрой перезарядки эквивалентных параметров полупроводникового прибора, что существенно увеличивает информативность метода.

Данный метод основан на наличии сквозного тока через диэлектрик, приводящего к различным фотоэлектрическим эффектам, связанным с неравновесным состоянием приповерхностного слоя полупроводника.

1.1.2 Вольтфарадная характеристика, вольтсименсная характеристика

Вольтфарадные методы измерения параметров полупроводников основаны на определении зависимости емкости структуры, обусловленной наличием объемного заряда в приповерхностной области полупроводника, от приложенного к ней напряжения, задающего состояние объемного заряда. Одновременно к структуре прикладывается тестовое напряжение заданной частоты. Методы, основанные на измерении вольтфарадных характеристик в настоящее время являются одними из самых распространенных для исследования электрофизических свойств полупроводникового прибора: высоты потенциального барьера в p-n переходе, уровня легирования активной области прибора, распределения электронных состояний по запрещенной зоне полупроводника, а также для определения параметров глубоких центров в нем (сечения захвата носителей, концентрация примеси).

По аналогии с методологией расширения измерения ВАХ при измерении вольтфарадных характеристик также применяют дополнительные воздействия в виде освещения, наложения магнитного поля, упругого напряжения. Указанные воздействия позволяют проследить кинетику перестройки примесно- дефектных комплексов полупроводника, оказывающих легирующее или рекомбинационное действие.

Также могут оказывать влияние другие факторы, которые могут варьироваться при измерениях. Одним из таких факторов является воздействие на структуру внешнего излучения, приводящего к возникновению фотоемкости.

По своей информативности вольтсименсные характеристики полупроводниковых приборов отличаются от ВАХ, поскольку регистрируют генерационно-рекомбинационные свойства исследуемого прибора. Последние оказываются более динамичными и более чувствительными к внешним воздействиям. Поэтому расширение методик измерения вольт-сименсных характеристик путем применения дополнительных воздействий оказывается в 4-7 раз информативнее вольт-фарадных характеристик методик. Как пример высокой чувствительности ВСХ методик к ГР свойствам полупроводника можно привести работу [1], в которой обнаружено изменение скорости рекомбинации неравновесных носителей заряда в соединениях А^IIIB^V после воздействия слабых электрических и магнитных импульсов.

1.1.3 Метод нестационарной спектроскопии глубоких уровней, фотопроводимость

Особенностью метода нестационарной спектроскопии глубоких уровней является использование электронных устройств, чувствительных лишь к глубоким уровням, для которых скорость испускания заряда находится в узкой заданной области значений.

Поскольку скорость испускания носителей заряда сильно изменяется с изменением температуры, тепловое сканирование позволяет зарегистрировать наличие глубоких уровней различного типа при характерных для них температурах, когда скорость испускания попадает в заданную область ее значений. Подавая на структуру повторяющиеся импульсы обратного напряжения, можно воспроизводить степени заполнения глубоких уровней и измерять скорость изменения емкости после каждого импульса. Таким образом, при любой заданной температуре глубокие уровни опустошаются со своими скоростями испускания. Повторяющийся характер процесса ведет к увеличению чувствительности и повышению стабильности измерений за счет усреднения сигналов. Процессы, протекающие в структуре, зависят от характера, подаваемого на структуру напряжения [2].

Данный метод позволяет быстро обнаружить глубокие уровни в широком диапазоне энергий, и с достаточной точностью определить параметры уровней.

1.1.4 Фото-электродвижущая сила

ФотоЭДС - электродвижущая сила, возникающая в полупроводнике при поглощении в нём электромагнитного излучения. Объемная фотоЭДС возникает в неоднородных полупроводниках, в которых градиент удельного сопротивления отличен от нуля.

Физический механизм возникновения фотоЭДС такой же, как и во всех других источниках тока: внешнее воздействие в виде света с достаточно большой энергией кванта переводит электроны на более высокий энергетический уровень, с которого они стремятся вновь перейти на прежний. За счет этого образуется разность потенциалов [3].

Метод фотоЭДС является чувствительным к центрам генерации и рекомбинации зарядов в полупроводниковом приборе.

1.1.5 Фотоемкостной эффект

Фотоемкостной эффект основывается на изменении емкости обедненного слоя структуры металл-полупроводник, или p-n перехода возникаемой при освещении образца светом с различной длинной волны.

Исследуемую структуру предварительно охлаждают, чтобы первоначально все глубокие уровни были заполнены электронами. Далее прикладывают обратное напряжение и освещают монохроматическим светом из области примесного поглощения. Так как скорости теплового испускания слишком малы, то изменение емкости структуры обусловлено лишь изменением плотности объемного заряда за счет фотоионизации глубоких ловушек.

Изменение степени заполнения глубокого уровня электронами влечет за собой изменение плотности объемного заряда структуры, толщины обедненного слоя при постоянном напряжении и, как следствие, емкости структуры.

Измерение параметров глубоких центров с помощью фотоемкости основано на перезарядке глубоких уровней в слой объемного заряда светом с энергией фотона меньшей, чем ширина запрещенной зоны полупроводника.

Данный метод позволяет определять концентрацию, энергию ионизации, сечение фотоионизации и другие параметры уровней.

1.2 Наблюдение фотостимулированных эффектов в полупроводниках

1.2.1 Фотостимулированные преобразования в элементарных полупроводниках

В работе [4] исследован шум 1/f в n-Si в условиях освещения видимым излучением. Показано, что при комнатной температуре поверхностный шум преобладает над объемным шумом. Традиционно поверхностный шум в кремниевых приборах связывают с захватом-выбросом носителей заряда на континентально распределенные по энергии поверхностные состояния.

На рисунке 2.1 представлены зависимости относительной спектральной плотности шума от относительной интенсивности подсветки для фиксированных частот анализа.

Частота, Гц: 1-40, 2 - 80, 3 - 320, 4 - 1280. Сплошные горизонтальные прямые - уровень шума. Интенсивность J₀ соответсвует освещению образца точечной лампой накаливания мощностью 100 Вт

Рисунок 2.1 - Зависимость относительной спектральной плотности шума от интенсивности подсветки для различных частот анализа.

Из данного рисунка видно, что заметное влияние на шум оказывает даже световой поток лампы, ослабленый в 10⁸-10⁹ раз. По мере увеличения интенсивности подсветки шум на данной частоте возрастает, достигает максимума и затем монотонно уменьшается.

На рисунке 2.2 показаны зависимости спектральной плотности шума от интенсивности освещения, рассчитанные в соответствии с предложенной моделью, по следующему выражению:

 (2.1)

Рисунок 2.2 - Расчетные зависимости относительной спектральной плотности шума на данной частоте от уровня освещенности

В качестве модели предполагается возникновение шума 1/f за счет флуктуаций заполнения уровней хвоста плотности состояний.

Экспериментально показано, что на каждой частоте анализа должна наблюдаться немонотонная зависимость шума от интенсивности подсветки. При низких уровнях освещенности (малая концентрация дырок) шум должен сначала расти, а затем по мере увеличения интенсивности подсветки достигать максимума и в дальнейшем монотонно уменьшаться, становясь меньше темнового. При этом чем ниже частота анализа, тем при меньших интенсивностях света достигаются максимум шума и его последующее уменьшение.

Каждый уровень, принадлежащий хвосту плотностей состояний, в отсутствие освещения характеризуется своей постоянной времени. Таким образом, за шум 1/f на выделенной частоте f отвечают уровни, находящиеся на определенной глубине Е от дня зоны проводимости. Все эти уровни лежат ниже уровня Ферми Е_f. Флуктуации заполнения уровней, лежащих выше Е_f, ответственны за уровень шума на более высоких частотах.

Появляющиеся в результате освещения дырки захватываются на уровни хвостов состояний с вероятностью, не зависящей от энергии Е. Однако в условиях стационарного освещения степень заполнения уровней сильно зависит от Е, поскольку время захвата электронов на освободившиеся места экспоненциально зависит от энергии. При слабой освещенности, характеризующейся низкой скоростью генерации дырок, уровни, лежащие в глубине запрещенной зоны могут быть полностью опустошены, в то время как степень заселенности высоколежащих уровней практически не изменится.

На рисунке 2.3 для четырех различных частот анализа представлены рассчитанные зависимости шума на фиксированной частоте от интенсивности подсветки. Видно, что чем выше частота, тем большая интенсивность подсветки необходима для достижения максимального уровня шума и его последующего уменьшения. На рисунке 2.3 также представлены экспериментальные зависимости для частот анализа 80, 960,1280 и 5120 Гц:

а) Теоретический расчет. Для J ωτ₀₀= ωτ₀₁= 4*10^-13, для 2 - 4 ωτ₀₀/ ωτ₀₁: 2-10, 3-25, 4-50;

б) Экспериментальные кривые (300К). Частота анализа для I f₁ =80 Гц, для 2 - 4 f/f₁: 2-12, 3-16, 4-64. Штриховые прямые - уровень шума в темноте.