книги / Нелинейные металлоксидные полупроводники

Введение

Развитие электротехники и электроники в значительной степени связано с расширенным применением нелинейных элементов — приборов и устройств, эксплуатационной хаг рактеристикой которых является существенно нелинейная функциональная зависимость. Нелинейная связь между такими парными характеристиками, как намагниченность— магнитная индукция в ферритах, поляризация — напряжен­ ность поля в сегнетоэлектриках и некоторыми другими, привела к появлению специальных разделов физики твер­ дого тела и новых областей техники.

Представляется по-своему удивительным тот факт, что наиболее очевидный нелинейный эффект — симметричная нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ), обна­ руженная вслед за своим антиподом — законом Ома полто­ ра века назад (Мунк, 1835),.нашла применение лишь в по­ следние десятилетия.

Известно, что подавляющее большинство полупровод­ никовых приборов обладает униполярной электропровод­ ностью. Основной структурной единицей современного по­ лупроводникового прибора является асимметричный потен­ циальный барьер (р-п переход, барьер Шоттки, МДП-струк-

тура и т. д.), с которым связана асимметричная ВАХ. Вме­ сте с тем по мере развития полупроводниковая техника все более нуждается в устройствах, работающих с импуль­ сами произвольной полярности. Так, одной из насущных задач является поглощение энергии коммутационных пуль­ саций (которые принципиально неустранимы) с целью ста­ билизации напряжения и защиты приборов и элементов цепей. Это в свою очередь требует создания нелинейных резисторов с симметричной ВАХ и большой рассеиваемой мощностью, т. е. возвращает нас к уже известным нелиней­ ным свойствам некоторых поликристаллическнх оксидных полупроводников. Таким образом, стремительный прогресс металлоксидных варисторов (МОВ) в последние годы под­ тверждает существование своего рода «обратных связей» в истории полупроводниковой техники.

Функциональные возможности симметричных нелиней­ ных элементов очень велики. В схемах с этими приборами могут быть реализованы стабилизация напряжений, огра­ ничение токов, переключение и память, защита от перена­ пряжений и искрогашение на контактах, умножение ча­ стоты, амплитудная и частотная модуляция сигналов, управление электролюминесцентными индикаторами и жид­ кокристаллическими дисплеями и многие другие практи­ чески важные приложения.

Нелинейность ВАХ рассматриваемых оксидных полу­ проводников принадлежит к контактным явлениям и свя­ зана с межкристаллитными потенциальными барьерами, возникающими вследствие модуляции энергетических зон полупроводника полем заряженных примесей и дефектов, адсорбированных на межкристаллитной границе. Сущест­ венно при этом, что для создания таких симметрично­ барьерных структур не требуется специальных технологи­ ческих процессов, так как они возникают в силу естествен­ ной поликристалличности материала.

Технология МОВ, хотя и обладает специфическими осо­ бенностями, является типично керамической технологией, что обеспечивает невысокую стоимость приборов и делает наблюдаемые в них неомические эффекты по-своему уни­ кальными.

Исследования нелинейных ВАХ оксидов берут свое на­ чало в работах О. В. Лосева, выполненных в 20-х годах в знаменитой нижегородской радиолаборатории. О. В. Ло­ сев обнаружил значительную и зачастую симметричную (без выпрямления) нелинейность ВАХ оксида цинка ZnO в контакте с различными проводниками (графит, стальная игла и др.). В сущности была обнаружена неомическая электропроводность, обусловленная поверхностными со­ стояниями. В схеме с последовательно присоединенными резисторами удавалось наблюдать S-образные ВАХ и свя­ занную с ними генерацию электромагнитных колебаний на участке с отрицательньш дифференциальным сопротивле­ нием. Схема Лосева, получившая за рубежом название «кристадин», была поначалу даже расценена как первый твердотельный усилитель. Симметричная нелинейность ВАХ тогда не привлекла внимания. Вторично неомические свойства оксидов были открыты в нашей стране в 60-х го­ дах [1, 2], тогда же были разработаны первые цинкоксидные варисторы с небольшим коэффициентом нелинейности. В последующие годы было синтезировано большое коли­ чество нелинейных полупроводников на основе ZnO. Этап­ ным с точки зрения технологии явилось создание высоко*.

нелинейных цинкоксидных материалов, ВАХ которых по крутизне не уступает ВАХ стабилитрона.

На рис. 1 представлены для сравнения ВАХ варисторов из SiC, Se, Si и MOB, иллюстрирующие преимущества по­ следнего как по допустимым токам, так и по степени не­

ВАХ. Поверхностные состояния имеют сложную структу­ ру и, по-видимому, образованы взаимодействием поверх­ ностно-активных центров с хемосорбированным кисло­ родом.

В последние годы все более широко изучаются нелиней­ ные свойства оксидных полупроводников с поляронной электропроводностью. В отличие от оксида цинка в них поверхностно-актив­ ными центрами являются регулярные ионы кристал­

ное состояние. Один из поляронных полупроводников—ле­ гированный титанат бария — применяется для повсохност-

но-барьерных варисторов (ПБВ), используемых в микро­ электронике. Приборы, изготовленные на базе этих двух металлоксидных полупроводников (ZnO и ВаТЮ3), позво­ ляют реализовать широкий диапазон рабочих характери­ стик, недостижимый для других материалов1 (рис. 2).

Дальнейшие перспективыJMOB тесно связаны с их внед­ рением .в полупроводниковую электронику, где преимуще­ ства симметрично-барьерных структур (безынерционность, пороговый характер ВАХ, возможность реализации S-об­ разной ВАХ и др.) могут обеспечить ряд новых техниче­ ских решений. Сдерживающим обстоятельством здесь пока является плохая совместимость полупроводниковой техно­ логии с типично керамической технологией дискретных МОВ. В последнее время эта задача решается двумя пу­ тями— как совершенствованием технологии пленочных ва­ ристоров, так и использованием керамических МОВ в ка­ честве подложек, одновременно функционирующих как элементы схем (например, для управления жидкокристал­ лическим дисплеем).

В заключение отметим, что используемые в МОВ не­ омические явления специфичны для оксидов как нестехио­ метрических соединений металл — кислород и не встреча­ ются в других классах полупроводниковых веществ.

1 В качестве иллюстрации приведены данные о продукции фирмы -«Мацусита электрик» (Matsushita Electric).

Рис. 3. Энергетическая диаграм­ ма контакта металл — полупро­ водник п-тнпа.

а — барьер Шоттки при UУт> W 6i

б — омический контакт при Wm< <WV, в — барьер Шоттки с уче­

том сил изображения.

в полупроводнике чувстви­ телен к легированию, часто вместо работы выхода Wb

говорят об электронном сродстве Wo — энергетиче­

ском интервале между уровнем вакуума и дном зоны проводимости (№о=

= W9-4Ff).

Однако в реальных по­ лупроводниках контактная разность потенциалов зави­ сит также от потенциала,

о п а п а и и п г л ттгиэоп vur»r*T'Uï-Tn/m

уровни в запрещенной зоне.

Заряд поверхностных состояний частично или полностью экранирует контактный потенциал, созданный разностью работ выхода Wm— UPS, в результате чего даже качествен­

ное согласие с моделью Шоттки наблюдается весьма редко.

С целью повышения точности анализа с помощью мо­ дели Шоттки вместо работы выхода часто используют электроотрицательность Е, характеризующую способность различных атомов присоединять электроны. Преимущест­ вом является большая точность определения Е (до ± 0,05), тогда как экспериментальный разброс значений работы выхода для отдельных веществ может достигать 1—2 эВ. Исследования показали, что и в этом случае модель Шот­ тки не дает правильных значений высоты барьера. Так, в ковалентных полупроводниках (Si, GaAs и др.) барьер

Шоттки может вообще не зависеть от работы выхода или. электроотрицательности металла и в этом случае целиком определяется поверхностными состояниями в полупровод­ нике. В большинстве полупроводников с ковалентной связью поверхностные состояния образуют узкую зону на расстоянии 1/Зггя от потолка валентной зоны, что приво­ дит к закреплению уровня Ферми металла при этих энер-