С.И. Воронцов, магистрант, С.Б. Бакланов, канд. техн. наук, доц. Н.Т. Турин, д-р физ.-мат. наук, проф., С.Г. Новиков, канд. техн. наук, Ульяновский государственный университет
тел.: (8422) 320617, e-mail:
svast@sv.uven.ru
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ
РАДИАЦИОННО-МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПЛАНАРНЫХ СИМИСТОРОВ
|
Исследованы процессы, влияющие на магниточувствительные свойства
маломощных планарно-диффузионных симисторов (ПДС). Предложен метод повышения
магниточувствительности ПДС, заключающийся в облучении полупроводниковой
структуры электронами. |
Многослойные полупроводниковые приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением, такие как тиристоры и симисторы, применяются в самых различных областях электроники. Однако из-за отсутствия или малой величины чувствительности тиристоров и симисторов к магнитному полю их применение в области магнитоэлектроники ограничено. При этом потребность в маломощных двунаправленных приборах, управляемых магнитным полем, в настоящее время существенно возрастает, поскольку наличие магниточувствительности позволило бы использовать подобные приборы в качестве пороговых магнитодатчиков и магнитных переключателей в узлах электрических схем, работающих как на постоянном, так и на переменном токе и потребляющих небольшую мощность. Это способствовало бы значительному упрощению электронных устройств и расширению их функциональных возможностей за счет замены традиционных параллельных и мостовых схем на основе однонаправленных ключевых элементов на дискретные двунаправленные приборы. В связи с этим экспериментальное исследование магниточувствительности (МЧ) планарно-диффузионных симисторов (ПДС) является актуальным.
Проявление МЧ у многослойных полупроводниковых
структур, таких как тиристоры и симисторы, является относительно слабым,
поскольку связано с малой зависимостью коэффициентов передачи тока составляющих
транзисторов от индукции магнитного поля [1]. Усиление этой зависимости в
большей степени проявляется в планарных структурах приборов такого типа и
достигается использованием эффекта отклонения инжектированных носителей от
коллектора тиристора к верхней поверхности структуры. При этом увеличение МЧ
проявляется как при очень малых, так и при очень больших скоростях
поверхностной рекомбинации 
, при которых коэффициент передачи тока “продольного”
транзистора соответственно либо растет, либо уменьшается вследствие изменения
концентрации носителей в приповерхностном слое. Однако при обычной стандартной
технологии изготовления данных приборов, как правило, получаются средние
значения , при которых МЧ практически отсутствует [1]. Поэтому
проявление МЧ в планарных тиристорах и симисторах является процессом
нерегулярным и слабовыраженным, а задача стабильного получения требуемых
значений достаточно трудно
решаема.
Известно, что под воздействием радиационного излучения
изменяется ряд электрофизических параметров полупроводников, в том числе
эффективные длина диффузионного смещения 
и время жизни носителей
заряда 
, что влечет за собой изменение эксплуатационных
характеристик приборов, сконструированных на их основе [2]. В частности,
радиационная обработка отражается и на магнитных свойствах некоторых
полупроводниковых приборов [3]. Однако сведений о радиационной стимуляции магни-точувствительных
свойств тиристоров и симисторов в литературе не встречается.
Целью данной работы являлось исследование физических процессов и механизмов, влияющих на магниточувствительность маломощных планарно-диффузионных симисторов [4] с гальваническим управлением при их радиационной модификации.
Основу облучаемых макетных образцов ПДС составляли интегральные модули из двух маломощных копланарных тиристорных структур серийно выпускаемых гибридных пороговых переключателей типа 2У106, сформированных в общем объеме полупроводника и имеющих встречно-параллельное соединение с помощью внешней коммутации (рис. 1) [5].
|
|
|
Рис. 1. Структура встречно-параллельного ПДС на основе двух составляющих тиристоров с общим n-базовым слоем |
Данные структуры размещались в металлостеклянном
корпусе ТО-5. Для исключения экранирующего влияния металлического корпуса
крышка приборов перед проведением экспериментов была удалена. Кроме того,
использование планарных тиристоров и наличие у них общей 
-базы отличают данные ПДС от известных конструкций, в которых
симистор реализован в виде пятислойной интегральной структуры либо встречно-параллельным
соединением двух отдельных дискретных тиристоров. При дальнейшем рассмотрении
индукцию магнитного поля, отклоняющего носители заряда к верхней поверхности
(грани с контактами), будем условно обозначать 
, индукцию противоположного направления – 
.
Первоначально (до облучения) отдельные исследуемые
образцы ПДС не реагировали на действие постоянного магнитного поля вплоть до
значений 2 Тл либо имели относительно низкую магниточувствительность
(порядка 5 В/Тл) даже при максимальном токе управления. Это означает, что
скорости генерационно-рекомбинационных процессов на поверхности образца и в
объеме были близки, и тогда рекомбинация на поверхности, к которой за счет силы
Лоренца 
отклоняются носители
заряда при приложении магнитного поля (рис. 1),
практически полностью компенсируется генерацией носителей в объеме. В
результате зависимости коэффициентов передачи тока составляющих транзисторов в
ПДС от величины магнитного поля не существенны. Следовательно, незначительно и
изменение основного эксплуатационного параметра ПДС – напряжения переключения 
– в зависимости от
индукции магнитного поля 
.
Радиационная обработка одних из образцов ПДС
проводилась со стороны верхней поверхности структуры 
-частицами от радиоизотопного источника на основе Cm244 (кюрия-244) при нормальной температуре. В
результате облучения удалось зафиксировать проявление МЧ и небольшое ее
увеличение в ходе последовательного наращивания дозы [6]. Однако, несмотря на
высокие энергии бомбардирующих частиц (
МэВ)
и большой флюенс (
см-2),
существенного изменения МЧ образцов, представляющего практический интерес, не наблюдалось.
Другие образцы ПДС были подвергнуты воздействию
электронов. Для облучения использовался источник электронов с энергией 
кэВ растрового электронного микроскопа типа РЭМ-100У.
Образцы помещались в вакуумированную камеру (вакуум 0,013-0,0013 Па),
содержащую предметный столик, который обеспечивал перемещение образца в трех
взаимно перпендикулярных направлениях. Таким образом, обеспечивалось облучение
только заданных областей в составе топологически сложной структуры ПДС (см.
рис. 1). При этом площадь каждого облученного участка составила порядка
5,3×10-4 см2.
Как показали результаты экспериментальных
исследований, облучение электронами существенно повлияло на
магниточувствительные свойства исследованных ПДС. В частности, из рис. 2
следует, что после электронной обработки (флюенс 
см-2) диапазон изменений в магнитном поле
увеличивается (следует обратить внимание на разный масштаб по оси ординат
рис. 2,а и б). Заметим, что при всех значениях тока управления структура
ПДС проявляет сильную чувствительность к направлению магнитного поля. Таким
образом, в силу несимметричности характеристик относительно оси ординат
магнитосимисторы можно считать полярными приборами, т.е. приборами со
свойствами, сильно зависящими от направления поля .
|
|
|
Рис. 2. Вольт-тесловые характеристики для напряжения
переключения ПДС до (а) и после (б) облучения электронами (флюенс |
Полученные результаты обусловлены преимущественной генерацией радиационных дефектов на границе между кремниевой структурой прибора и защитным оксидным покрытием на ее поверхности.
При электронном облучении верхней поверхности
структуры ПДС высокая концентрация дефектов и, соответственно, высокая
плотность поверхностных состояний в запрещенной зоне кремния обусловлена ионизационными
эффектами и, в силу относительно небольших энергий бомбардирующих электронов,
создается главным образом в приповерхностных слоях на границе с оксидным
покрытием [2]. Это приводит к увеличению скорости 
на границе Si-SiO2 и усилению как
зависимости коэффициента передачи 
-транзистора от индукции магнитного поля 
, так и магнитоконцентрационного эффекта.
Последний, в свою очередь, сильно зависит от различия
интенсивности генерационно-рекомбинационных процессов на поверхности
полупроводника и в объеме. Когда магнитное поле (
) сориентировано так, что неосновные носители отклоняются к этой
поверхности, наблюдается их сильная рекомбинация, следствием которой является
увеличение сопротивления -базы и снижение коэффициента передачи -транзистора, поскольку уменьшаются время жизни носителей заряда,
диффузионная длина и доля носителей, прошедших через -базу. Все это приводит к наблюдаемому возрастанию напряжения
переключения. При изменении направления магнитного поля (
) носители от верхней поверхности с высокой скоростью
генерации отклоняются в глубь полупроводника с малой скоростью рекомбинации.
Это приводит к увеличению концентрации носителей, участвующих в токе базы -транзистора, и соответствующего коэффициента передачи. Кроме
того, возрастает время жизни носителей и увеличивается длина диффузионного
пробега за счет действия силы Лоренца. В результате напряжение переключения
уменьшается.
В случае же -обработки радиационные дефекты, вызванные преимущественно
атомными смещениями, генерируются равномерно (в силу диффузности источника) по
всей глубине облучаемого слоя, соизмеримой с глубиной залегания 
-областей структуры [2]. При этом поверхностные эффекты от
разрыва валентных связей и последующих атомных смещений относительно невелики,
и коэффициент передачи -транзистора изменяется незначительно. Следовательно, не
наблюдается и существенного изменения основного эксплуатационного параметра ПДС
– .
Таким образом, основным процессом, стимулирующим
магниточувствительность ПДС при их радиационной модификации, является изменение
генерационно-рекомбинационного баланса на поверхности (границе Si-SiO2), вызванное
преимущественно ионизационными эффектами в результате дефектообразования
структуры. Напротив, дефекты структуры за счет атомных смещений (при -облучении) влияют несущественно на магниточувствительные
свойства ПДС.
На рис. 3 представлены зависимости вольтовой
магниточувствительности 
ПДС от индукции магнитного
поля при различных токах
управления 
. Как видно, с ростом индукции магнитного поля прямого и
обратного направлений вольтовая магнито-чувствительность ПДС возрастает. Причем
ее значение тем выше, чем больше ток управления, что, наряду с изменением
коэффициента передачи -транзистора, связано еще и с проявлением магнитодиодного
эффекта в структуре ПДС, возникающего при протекании тока управления [1].
|
|
|
Рис. 3. Зависимость вольтовой магниточувствительности ПДС от
индукции магнитного поля после облучения электронами (флюенс |
Действительно, цепь “катод – управляющий электрод” составляющего
ПДС тиристора представляет собой включенный в прямом направлении диод с длинной
базой (
, где 
– длина базы диода). В
таких “длинных” диодах распределение носителей и, следовательно, сопротивление
толщи диода (базы) определяется длиной диффузионного смещения неравновесных
носителей заряда. В поперечном магнитном поле уменьшение 
приводит к понижению
концентрации неравновесных носителей в базе, т.е. к повышению ее сопротивления.
Это вызывает увеличение падения напряжения на базе и уменьшение на 
-переходе (при условии постоянства приложенного напряжения).
Уменьшение падения напряжения на -переходе вызывает снижение инжекционного тока и,
следовательно, дополнительное повышение сопротивления базы, а также новое
уменьшение напряжения на -переходе и т.д. [3]. В итоге, ток управления уменьшается, что
приводит к дополнительному увеличению напряжения переключения в магнитном поле (). При обратном направлении магнитной индукции () магнитоди-одный эффект, напротив, уменьшает сопротивление
базы -перехода, поэтому МЧ снижается.
Асимметрия зависимости вольтовой МЧ от направления
магнитного поля в ПДС обусловлена особенностями конструкции самих приборов
(планарным расположением рабочих областей тиристорных структур) и различием
скоростей поверхностной рекомбинации на противоположных
гранях структуры.
Проведенные исследования также позволяют сделать
предварительную оценку радиационной устойчивости планарных симисторов в ходе
последовательного увеличения дозы. После облучения -частицами ( МэВ, суммарный флюенс 
см-2) статические характеристики ПДС
практически не изменились. После облучения образцов ПДС электронами ( кэВ, суммарный флюенс см-2) напряжение с ростом дозы
увеличилось со 175 до 350 В, наряду с этим возросли силы тока включения от
0,2 до 2 мА и тока удержания от 1,1 до 34 мА, что свидетельствует о
расширении диапазона блокирующей способности ПДС.
Таким образом, впервые обнаружены
магниточувствительные свойства у таких сложных полупроводниковых приборов, как
ПДС, и показаны способы усиления этих свойств. Выявлено, что основными процессами,
влияющими на МЧ радиационно-модифицированных ПДС, являются ионизационные
эффекты на поверхности расположения рабочих областей структуры. В результате
проведенных исследований показано, что проявление магниточувствительности
радиационно-модифицированной структуры ПДС основано на изменении зависимости
коэффициента передачи -транзисторов от магнитного поля в условиях действия магнитодиодного
и магнитоконцентрационного эффектов. При радиационной модификации поверхности
электронным облучением и, соответственно, возникновении области с повышенной
скоростью поверхностной рекомбинации, с одной стороны, изменяются параметры
вольт-амперной характеристики симисторной структуры, а с другой стороны –
усиливается проявление указанных гальваномагнитных эффектов, что способствует
увеличению магниточувствительности. На основании исследования магниточувствительных
свойств симисторных структур выявлено, что путем радиационного облучения
электронами, а также при подаче тока управления можно не только существенно
повысить магниточувствительность ПДС, но и задавать диапазон изменения его
магниточувствительных свойств. Результаты работы позволяют говорить о создании
нового класса полупроводниковых двунаправленных приборов с 
-образной вольт-амперной характеристикой – полярных
магнитосимисторов, что значительно расширяет спектр областей применения ПДС, в
частности, в качестве сенсорных элементов в узлах микросистемной техники.
Список литературы
1. Никулин И.М., Никулина Л.Ф., Стафеев В.И. Гальваномагнитные приборы. М.: Радио и связь. 1983. 104 с.
2. Вавилов В.С., Кекелидзе Н.П., Смирнов Л.С. Действие излучений на полупроводники. М.: Наука. 1988. 192 с.
3. Егиазарян Г.А., Стафеев В.И. Магнитодиоды, магнитотранзисторы и их применение. М.: Радио и связь. 1987. 88 с.
4. Пат. РФ № 2022412. Фотосимистор на основе полупроводниковой структуры / С.Б. Бакланов, В.В. Гайтан, Н.Т. Гурин. Б. И. 1994. № 20.
5. Бакланов С.Б., Гурин Н.Т., Новиков С.Г. Моделирование и исследование планарно-диффузионных симисторов малой мощности и оптопар на их основе // Изв. вузов. Электроника. 1997. № 6. С. 49-59.
6. Бакланов С.Б.,
Новиков С.Г., Гурин Н.Т., Кузнецов В.В., Калашников С.Л.
Радиационная модификация магниточувствительных -структур // LIV Научная сессия, посвященная Дню радио: Тез.
докл., май 1999. М: Изд-во РНТОРЭС им. А.С. Попова. 1999. С. 87.
| Наверх |