Курсовая работа: Эффект поля. Расчёт эффективной подвижности носителей заряда

На рисунке 2.1.1.1 приведена типичная кривая динамического эффекта поля (ДЭП) при наличии захвата на ловушки (кривая 2). Верхняя ветвь этой кривой ∆ σ_si ( V_g ( t )) определяет изменение поверхностной проводимости при инжекции электронов в полупроводник, нижняя ветвь ∆ σ_{s е} ( V_g ( t )) - изменение проводимости при их экстракции. Для количественной характеристики гистерезиса определялась ширина петли гистерезиса по оси напряжений ∆ V_gh между одинаковыми значениями проводимости: на кривой инжекции ∆ σ_si (0) и на кривой экстракции ∆ σ_{s е} (0). Равенство этих значений проводимости означает, что инжектированные электроны с поверхностной концентрацией

где – удельная емкость МДП конденсатора, не участвуют в проводимости, т.к. связаны на ловушках и не успевают перейти в зону проводимости при уменьшении напряжения V_g ( t ).

Процесс захвата инжектированных носителей на ловушки характеризуют также величины ∆ σ_si (0) и наклон кривой инжекции Отклонение ∆ σ_si (0) от равновесного нулевого значения при действии периодического монополярного напряжения обусловлено захватом и накоплением инжектированных электронов на глубоких ловушках, с которых эмиссия в зону проводимости не успевает произойти на частоте измерения. Это приводит к увеличению исходного отрицательного заряда на ПС на величину

Производная определяет подвижность в эффекте поля μ_F (1) Фактор захвата θ = μ_F /μ_n характеризует долю инжектированных электронов, которые участвуют в проводимости[4].

На частотах измерения ДЭП f << (2πτ)^-1 и f >> (2πτ)^-1 гистерезис должен отсутствовать: на низких частотах - из-за того, что за время действия напряжения успевает завершиться процесс релаксации захваченных носителей, на высоких частотах - из-за отсутствия самого захвата. Такой квазистационарный режим измерения ДЭП обычно используется для определения изгиба зон по минимуму квазиповерхностной проводимости. Он применим к относительно узкозонным полупроводникам (Ge, Si), но в GaAs из-за большой ширины запрещенной зоны и высокой концентрации ПС, приводящей к закреплению уровня Ферми на поверхности, минимум квазиповерхностной проводимости обычно не наблюдается. В данной работе этот метод в условиях нестационарного ДЭП, т.е. при наличии гистерезиса, развивается для исследования процесса захвата инжектированных носителей в ГНС. Измерения ДЭП проводились на частоте f= 60 Гц.

Для получения дополнительной информации о релаксации эффекта поля исследовалась также частотная зависимость малосигнального ЭП в диапазоне частот 20-10⁶ Гц по методу. Этим методом также определялись подвижность μ _F ( f ) и фактор захвата

где - подвижность в электронном поле на достаточно высокой частоте, когда захват отсутствует и

Частота f _1/2 ,на которой ,где - подвижность на низкой частоте при завершившемся захвате на ловушки, определяет время релаксации эффекта поля .

2.1.2 Экспериментальные результаты

Рассмотрим сначала особенности ДЭП в однородном (буферном) слое GaAs и влияние на ДЭП освещения слоя, которое уменьшает высоту поверхностного барьера. В темноте (рисунок 2.1.2.1, кривая 1) гистерезис ДЭП относительно мал (ΔV_gh < 10 В), а подвижность в эффекте поля (1) в начале кривой инжекции μ _F ≈ 4500 см² /В∙с близка к значению холловской подвижности электронов и подвижности μ _F в малосигнальном эффекте поля, которая не имеет дисперсии во всем диапазоне измерения частотной зависимости. Очевидно, на начальном участке кривой инжекции, когда напряжение V_g ( t ) мало, а скорость его изменения относительно велика, захвата инжектированных электронов на ПС практически не происходит, что объясняется большой высотой препятствующего захвату поверхностного барьера в GaAs (приблизительно 0.6 эВ).

Рисунок 2.1.2.1. Влияние освещения на ДЭП в однородном слое GaAs. Интенсивность освещения: 1 - в темноте, 2 -10%, 3 - 100%

Рисунок 2.1.2.2. Влияние встраивания слоя КТ на ДЭП. 1 - однородный слой GaAs. 2 - 5 - ГНС с КТ. Толщина покровного слоя d_c : кривая 2 соответствует 5 нм, 3 - 20 нм, 4 -100 нм, 5 - 300 нм.

Однако в установившемся режиме ДЭП некоторый захват электронов на ПС все же происходит. На это указывает уменьшение наклона на кривой инжекции и уширение петли гистерезиса при больших значениях V_g ( t ), а также ярко выраженный эффект накопления, который проявляется в значительном отрицательном значении Δσ_si (0). Уменьшение и увеличение ΔV_gh связаны с относительно быстро релаксирующим захватом на ПС, а накопление - с медленно релаксирующим захватом. Оценка увеличения концентрации отрицательно заряженных ПС по эффекту накопления (2) дает ΔN_S = 8-10⁹ см^-2 . Это значение составляет около 1% от равновесной концентрации отрицательного заряда на ПС ( N_s ~ 10¹² см^-2 ), определяющего изгиб зон на реальной поверхности GaAs.

Даже слабое освещение слоя GaAsизлучением от лампы накаливания сильно увеличивает захват на ПС. При максимальной интенсивности освещения (рисунок 2.1.2.1, кривая 3) ДЭП становится очень мал: подвижность уменьшается, а ширина петли гистерезиса увеличивается в 20-30 раз, и полностью исчезает эффект накопления. Это обусловлено значительным уменьшением высоты поверхностного барьера в результате возникновения поверхностной фотоэдс V_ф , зависимость которой от интенсивности освещения L имеет вид: V_ф =(kT/q)ln(l+BL), где В - некоторая постоянная. При максимальной интенсивности освещения, как показали измерения фотоэдс, V_ф достигает 0.4-0.5 В, и, следовательно, высота поверхностного барьера уменьшается приблизительно до 0.2 эВ. Было установлено, что величина Δσ_si (0) уменьшается, а ΔV_gh увеличивается также пропорционально InL в диапазоне, по крайней мере, двух порядков изменения интенсивности. Это определенно свидетельствует о том, что захват и накопление электронов на ПС происходит в результате их термического заброса через поверхностный барьер.

Рисунок 2.1.2.2. показывает влияние встраивания слоя КТ и изменения его положения в области пространственного заряда на ДЭП. Чтобы не загромождать рисунок, кривые разнесены по вертикали, и поэтому положение точки Δσ_si (0)