Прямая ветвь вольт-амперной характеристики для некото­рых материалов хорошо описывается выражением

/ = /5ехр(а10, (2.13)

второе отличается от выражения (2.11) тем, что показатель a в Данном случае не зависит от температуры. В качестве примера

такой зависимости на рис. 2.5 приведены характеристики свето­диода из фосфида галлия [6]. Обычно независимость ос от Г слу­жит признаком того, что преобладает туннельный механизм прохождения тока. В туннельном диоде (диоде Эсаки) [7] концен­трации примеси в п - и p-областях велики; они выше, чем концен­трации состояний в интервале энергий kBT у краев зоны прово­димости и валентной зоны. В этих условиях распределение носи­телей описывается статистикой Ферми — Дирака, а уровень Ферми находится в зоне проводимости (в n-области) и в валент­ной зоне (в p-области). Такой полупроводник называется вы­рожденным. Для кремния при 300 К концентрация мелких до­норов, при которой уровень Ферми проходит по краю зоны про­водимости (невозмущенной), составляет 6-Ю19 см-3. При этом примесные уровни расширяются в примесные зоны, которые сли­ваются с размытыми краями разрешенных зон кристалла (рис. 2.6). Обычно распределение плотности состояний вблизи края зоны при вырождении зон описывается выражением [8]

dN (Е) — const • [exp (£’/£’0)] dE. (2.14)

Эта зависимость согласуется с экспериментальными данными, полученными для края поглощения в сильнолегированном арсе - ниде галлия (рис. 2.7) и сдвига полосы люминесценции в зави­симости от интенсивности возбуждения (разд. 3.3.3). Точное зна - чение Ео зависит от концентрации и энергии ионизации приме­сей. В арсениде галлия при низком уровне поглощения и малом смещении величина Е0 обычно порядка 10—15 мэВ [8, 9а, 96], Имеются данные о том, что в области перед истинной зоной про­водимости энергия Ео резко увеличивается до ^50 мэВ [10], Выло показано также [П] , что плотность заполненных состояний «хвоста» зоны проводимости арсенида галлия гораздо меньше концентрации электронов, так что уровень Ферми проходит вы­ше «хвоста», в почти невозмущенной части зоны проводимости.

Туннелирование — явление, обусловленное просачиванием основных носителей через потенциальный барьер вследствие того, что волновая функция электронов вблизи слоя простран­ственного заряда имеет конечное значение и в и в р-области. (аналогично для дырок). Это явление становится существенным только при малых значениях (^;Ю нм) ширины барьера, При

3 Зак. 1242

этом требуется, чтобы на одном и том же энергетическом уровне Ї с одной стороны имелась большая концентрация заполненных состояний, а с другой — незаполненных. Оба эти условия выпол­няются в сильнолегированных р — «-переходах при малых пря* мых смещениях (рис. 2.8). При прямых туннельных переходах Величина избыточного (туннельного) тока при прямом смещении описывается выражением

I = A exp (— Btn'hEg2/eF), (2.15)

где А — множитель, выражение для которого довольно сложное и который включает распределение Ферми —Дирака для зоны проводимости и валентной зоны, Eg — энергия электрона, отсчи­тываемая от ближайшего края зоны, F — поле в переходе и В — постоянная, не зависящая от температуры. Туннельный ток, хотя и слабо, но зависит от температуры (из-за температурной зависимости Eg). Эта зависимость имеет вид / ~ exp (const - Т),

г

а не / ~ exp (eV/kBT), как для диффузионного тока [выражение

(2.11) ]. Выражение для тока, обусловленного туннелированием с участием фононов (относительно маловероятный процесс, имеющий существенное значение только для полупроводников с непрямыми межзонными переходами, таких, как кремний и фосфид галлия), имеет такой же вид, только пг* заменяется при­веденной массой для направления туннелирования, a Eg— вели­чиной Eg — ftco, где ftco — энергия фонона. Туннельный диод пред­ставляет большой интерес благодаря наличию на характеристике участка отрицательного сопротивления (рис. 2.8) при напряже­ниях, превышающих напряжение, соответствующее максимуму туннельного тока. Такая характеристика позволяет использовать туннельный диод для усиления СВЧ-сигналов и в качестве бы­стродействующих переключателей.

В идеальной модели избыточный туннельный ток падает до нуля при увеличении прямого смещения до значения, при кото­ром исчезает перекрытие валентной зоны и зоны проводимости. Конечно, туннельный ток имеет место и при напряжениях, боль­ших, чем требуется для устранения перекрытия в модели с не - возмущенной зонной структурой, что объясняется наличием уже упоминавшихся «хвостов» плотности состояний на краях зон,

а ю го

Прямое напряжение, В

Рнс. 2.9. Температурная зависимость для прямой ветви вольт-амперной харак­теристики красного диода из фосфида галлия, изготовленного методом жид­костной эпитаксии [14].

Наличие участка отрицательного сопротивления при температурах выше ~103 К можно объяснить влиянием глубоких ловушек электронов, образуемых донорной примесью

кислорода [14].

Как показано в работе [17], благодаря этому у кремниевых дио­дов наблюдается заметный туннельный ток вплоть до прямых смещений ^ 200 мэВ; эти напряжения примерно вдвое больше, чем для идеальной модели (~ 90 мэВ). Кроме того, даже при больших напряжениях может происходить горизонтальное тунне­лирование на глубокие примесные уровни и излучательная ре­комбинация на этих состояниях (рис. 2.8). В этом случае может наблюдаться второй максимум туннельного тока (рис. 2.8) при напряжении, которое определяется положением примесных со­стояний в запрещенной зоне.

В диодах из GaAs и GaP наблюдалось отрицательное сопро­тивление другой природы (рис. 2.9). В работе [14] обнаружено, что относительная интенсивность красного и инфракрасного электролюминесцентного излучения из p-области диода (разд. 3.2.8) заметно возрастает, когда диод входит в режим с отрицательным сопротивлением. Для объяснения этого эффекта была использована модель Эшли и Милнса [15], согласно кото­рой отрицательное сопротивление в р — і — n-диодах обуслов­лено двойной инжекцией, и было предположено, что при малых смещениях этому механизму препятствуют глубокие донорные уровни кислорода в г-области, которые захватывают преимуще­ственно электроны (разд. 3.2.2).

В более поздней работе [16] температурная зависимость на участке характеристики с отрицательным сопротивлением объ­ясняется образованием при низких температурах «-области с высоким удельным сопротивлением. При увеличении прямого смещения режим с отрицательным сопротивлением устанавли­

вается после того, как быстро нарастающая концентрация ин­жектированных дырок становится сравнимой с концентрацией электронов. Время установления режима с отрицательным со­противлением велико: ~ 1 мс при типичных значениях тока. Это время значительно больше времени жизни дырок при малых то­ках и связано скорее с разогревом образца, чем с насыщением центров рекомбинации. Разогрев происходит вследствие резкого повышения мощности, рассеиваемой в высокоомном п-слое.

Диодные структуры, обладающие S-образной (рис. 2.9), а не N-образной (рис. 2.8) вольт-амперной характеристикой, могут быть получены и другими способами. В работах [18—21] сооб­щается о создании зеленых светодиодов из GaP: N на основе четырехслойных р — п — р — n-диодных структур, изготовлен­ных методом жидкостной эпитаксии. Японские исследователи [18] считают, что п — р-структура (обнаруженная при исследо­вании профиля распределения примеси методом поверхностно­барьерной емкости) образуется в этих светодиодах на подлож­ках п-типа вследствие того, что при малых концентрациях серы (легирующая примесь) из-за загрязнения углеродом из графито­вой лодочки и ползуна в печи в начале процесса растет слой p-типа. Верхняя область p-типа формируется диффузией цинка. В работе [19] подчеркивается роль загрязнения кремнием, по­скольку детали установки для выращивания были изготовлены только из плавленого кварца. Предполагается, что возникнове­ние слоев с высоким сопротивлением или слоев p-типа в про­цессе эпитаксиального выращивания из жидкой фазы вызвано введением глубокого акцепторного уровня, чему способствует увеличение концентрации вакансий фосфора Vp при выращива­нии в условиях пониженного перенасыщения. Природа этого акцептора неизвестна. При исследованиях методом фотоемкости обнаружен уровень с энергией 0,4 эВ над валентной зоной.

Структуры с S-образной характеристикой были получены на ■ Gai_JU*As [21а, 246] методом жидкостной эпитаксии. В этом случае р — /г-переход содержал высокоомную область, появле­ние которой связывают с глубокими уровнями типа акцептор­ных, вносимыми кремнием (разд. 3.3.8).

Очевидно, в процессе роста одного слоя фосфида галлия вы­сокоомная область может возникать несколько раз, что вызы­вает образование множества внутренних переходов. В отличие от японских исследователей авторы работы [19] считают, что между излучающим свет переходом, полученным диффузией Цинка, и высокоомной p-областью, содержащей кремний, суще­ствует оптическая связь. Участок с отрицательным наклоном на вольт-амперной характеристике в зеленых светодиодах из Gap :N обусловлен совместным влиянием сверхлинейной зависимости фототека^ высокоомной области (определяющей пе­реключение) от освещения и нелинейной зависимости излучения от тока (В ~Р при малых токах). Поскольку для возникнове­ния режима отрицательного сопротивления необходимо, чтобы Произведение квантового выхода светодиода и квантового вьь хода фотоионизации в высокоомном слое превышало 1, послед­няя величина должна быть ^,1000. Это очень большое значение для полупроводника с непрямыми переходами. На приборе, ра­ботающем в режиме переключения, был достигнут внешний кван­товый выход излучения 0,08% на длине волны 565 нм при плот­ности тока 11 А/см2 [19]. В спектрах низкотемпературной фото­люминесценции слоев p-типа, самопроизвольно возникающих в приборах фирмы «Ферранти» [19], преобладают линии, обус­ловленные рекомбинацией на мелких донорно-акцепторных па­рах S — С, что согласуется с сообщением японских исследова­телей. Однако на основании этих данных нельзя категорически утверждать, что остаточным акцептором, определяющим элек­трические свойства слоя, является углерод, а не кремний. Отсут­ствие в спектрах линий, связанных с донорным уровнем крем­ния, и тот факт, что обычно кремний в фосфиде галлия дает больше донорных состояний [22], — недостаточные основания для окончательного вывода. Трудности связаны с относительно низкой силой осциллятора оптических переходов, вызванных донором SiGa и акцептором Sip, по сравнению с силой осцилля­тора оптических переходов, вызванных донором Sp в GaP (разд. 3.1.1). Кроме ТОГО, ВОЗМОЖНО, ЧТО ЭТИ центры (SiGa, Sip) имеют относительно малое сечение захвата носителей [22а]. Ис­следования, проведенные в фирме «Белл» и Лабораториях анг­лийских вооруженных сил (SERL) [23, 50], подтверждают пред­положение, что в нелегированном фосфиде галлия, выращенном

В СТаНДарТНЫХ УСЛОВИЯХ, ДОМИНИРУЮЩИМ ДОНОрОМ ЯВЛЯеТСЯ SiGa-

На этом основании можно ожидать, что SiP является домини­рующим акцептором, поскольку в нелегированном фосфиде гал­лия, полученном из раствора, концентрация серы обычно боль­ше, чем углерода.

S-образные вольт-амперные характеристики р — п — р — п - структур, полученных в работе японских исследователей [18], чрезвычайно разнообразны: пороговое напряжение переключе­ния изменяется от ~3 до ~160 В, а поддерживающее напря­жение составляет 2—3 В. В их приборах зеленое излучение с квантовым выходом ~10-4 испускается верхним (Zn — S) р — n-переходом. Время переключения в большинстве случаев находится в диапазоне 0,1 —1,0 мкс и обратно пропорционально избыточному напряжению. Устройства такого типа были бы чрезвычайно полезны для создания самопереключающихся мно­горазрядных буквенно-цифровых индикаторов (при условии что их характеристики станут более управляемы). В работе [20] исследовались четырехслойные структуры на основе фосфида галлия, работающие либо как высокотемпературные (0 < Т < <500°С) переключатели (динисторы), либо как управляемые вентили (тиристоры). Эти приборы были изготовлены путем эпитаксиального выращивания из жидкой фазы, в результате которого на подложке п-типа (такой же, как для светодиодов) создавался эпитаксиальный р—п-переход с последующей диф­фузией цинка, формирующей p-область в верхнем эпитаксиаль­ном слое «-типа. Эпитаксиальное выращивание производилось в графитовой скользящей лодочке. Так же как в работе [18], в процессе роста слой p-типа самопроизвольно сменялся слоем n-типа, Цричем, согласно фотолюминесцентным исследованиям, доминирующими мелкими акцептором и донором являются соот­ветственно углерод и сера. При определенной геометрии слоев (которая относительно хорошо контролировалась) были полу­чены напряжения переключения в прямом и обратном направ­лении соответственно 280 и 80 В. Тиристор мог быть переключен в проводящее состояние управляющим током плотностью менее 5 А/см2, при этом плотность поддерживающего тока состав­ляла 15 А/см2 при прямом смещении 2,2 В.

Для динисторов при прямом включении напряжение пере­ключения составляло 380 В при 300 К и 310 В при 715 К - По­дробно действие этих четырехслойных классических диодов Шокли было исследовано с помощью электронного растрового микроскопа. Структуры р — п — р — п, содержащие легирован­ные азотом эпитаксиальные слои, обнаруживали зеленую полосу электролюминесценции, характерную для GaP: N (рис. 3.17), яркость которой при 300 К и плотности тока 20 А/см2 составля­ла 1700—3400 кд/м2. Время включения электролюминесценции составляло примерно 100 не и определялось временем излуча - тельной рекомбинации на комплексе, содержащем азот.

В работе [24] наблюдались переключение и осцилляции тока и яркости в р — і—n-диодах на основе GaP: N, полученного Жидкостной эпитаксией. Авторы работы [24] считают, что отри­цательное сопротивление в их приборах обусловлено присут­ствием двух типов неидентифицированных глубоких ловушек в t'-области и объясняется в основном тем же механизмом двой­ной инжекции, который был рассмотрен выше (рис. 2.9).

Фирма «Шарп» (Sharp Corporation) сообщила об излучаю­щих р — п — р — «-структурах на GaAs и GaAlAs (красные све­тодиоды). В случае арсенида галлия визуализация излучения Для применения в индикаторах может быть достигнута путем нанесения на поверхность структуры люминофора, излучающего в зеленой области (гл. 4). Схемотехнические аспекты создания Матричных (размером 5X7 элементов) индикаторов с памятью На основе таких структур из арсенида галлия с отрицательным сопротивлением рассмотрены в работе [24aJ. В настоящее время при эпитаксиальном выращивании из жидкой фазы применяется метод со скользящей лодочкой; кроме того, вместо цинка и тел­лура используется амфотерная примесь — кремний [246]. В ра­боте [24в] описан сдвиговый регистр, аналогичный соответ-< ствующему устройству на основе кремниевых приборов с заря довой связью (ПЗС), но с оптической связью вместо зарядовой Электрическая изоляция в двумерных матрицах обеспечивается протравливанием трех верхних слоев с образованием мезаструк-і тур. Как и в ПЗС, трехтактное электрическое управление обе* спечивает однонаправленную передачу заряда между соседними, оптически связанными элементами. Оптическая связь между бо, лее отдаленными элементами слишком слаба, чтобы изменит их электрическое состояние. Целый ряд интересных логически схем, а также твердотельные линейные сканирующие устройств могут быть созданы на основе структур с отрицательным сопро­тивлением из арсенида галлия. Состояние таких структур может изменяться также под действием внешнего оптического сигнала, например светового пера.