Разработка фоточувствительных полупроводниковых приборов с отрицательной дифференциальной проводимостью

На правах рукописи

КОРНЕЕВ ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ

Специальность 05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано электроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2011

Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет».

Научный руководитель	доктор физико-математических наук, профессор Гурин Нектарий Тимофеевич
Официальные оппоненты	доктор технических наук, профессор Сивяков Борис Константинович доктор технических наук Кузьмин Николай Геннадьевич
Ведущая организация	Ульяновский филиал ИРЭ им. В.А. Котельникова Российской академии наук

Защита состоится «28» декабря 2011 года в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, Политехническая, 77, СГТУ, ауд. 2/401.

С диссертацией можно ознакомиться в научно–технической библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета http://www.sstu.ru « » ноября 2011 г.

Автореферат разослан « » ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Димитрюк А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Создание новых типов полупроводниковых приборов с положительной обратной связью (ПОС), имеющих S- и N-образную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) и отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС), управляемых оптическим излучением является важной научно-технической задачей. Широкие функциональные возможности этих приборов дают возможность применения их в узлах мощной и маломощной автоматики, в СВЧ- электронике, бортовой электронике, в системах телекоммуникации, устройствах отображения и преобразования информации, нейроинформатике, системах мехатроники и микросистемной техники.

Вопросам разработки, моделирования и исследования приборов с ПОС посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. В настоящее время практически решены основные вопросы теории известных приборов с положительной обратной связью, касающиеся физических процессов, приводящих к появлению участка ОДС и ОДП на ВАХ, принципа действия, свойств, основных типов приборов, моделирования ВАХ статических и динамических характеристик, а также их применения в различных узлах электронной техники. Однако появление новых полупроводниковых приборов с положительной обратной связью, имеющих N-образную вольт-амперную характеристику, содержащую участок отрицательной дифференциальной проводимости, имеющих новые структуры и реализующих методы оптического управления потоками носителей зарядов в структуре, является перспективным направлением в развитии полупроводниковых приборов с ПОС. Влияние на свойства полупроводниковых приборов с ПОС оптического излучения открывает перспективы применения их в качестве оптически управляемых автоматических переключателей для коммутации переменных и постоянных токов, в различного рода фотодатчиках, а также в позиционно-чувствительных фотодатчиках различного назначения.

Одним из перспективных базовых электронных компонентов, способных найти широкое применение, являются полупроводниковые фотоприемники с отрицательной дифференциальной проводимостью, обладающие ключевыми свойствами и позиционной чувствительностью. Фотоприемники такого типа имеют участок ОДП на выходных ВАХ N-образного вида. Применение такого типа приборов в узлах аппаратуры специального и бытового назначения позволит значительно упростить многие схемные решения, обеспечить снижение массогабаритных показателей, повысить качество, надежность и эффективность электронной аппаратуры.

В соответствии с этим разработка новых фоточувствительных полупроводниковых приборов с отрицательной дифференциальной проводимостью является актуальной задачей.

Цель работы

Целью диссертационной работы являются разработка, моделирование и экспериментальное исследование фоточувствительных полупроводниковых приборов с отрицательной дифференциальной проводимостью.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

• Разработка, моделирование и экспериментальное исследование нового интегрального позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника с отрицательной дифференциальной проводимостью.
• Разработка, моделирование и экспериментальное исследование фоточувствительного полупроводникового прибора с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой.
• Разработка, моделирование и экспериментальное исследование комбинированного полупроводникового позиционно-чувствительного прибора с N-образной вольт-амперной характеристикой.

Научная новизна

• Разработан интегральный позиционно-чувствительный полупроводниковый фотоприемник с N-образной вольт-амперной характеристикой на основе пятислойной полупроводниковой структуры, у которого, в зависимости от пространственного положения светового зонда на его поверхности, происходит либо увеличение тока пика N-образной ВАХ, либо его уменьшение вплоть до полного исчезновения N-участка на ВАХ, т.е. реализуется позиционная фоточувствительность.
• Разработан фоточувствительный полупроводниковый прибор с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой, на основе комбинации двух элементов с N-образной ВАХ, один из которых включен в управляющую цепь второго, который имеет выходную и передаточную N-образные ВАХ, что обеспечивает ограничение диапазона рабочих токов прибора в заданных пределах.
• Разработан комбинированный полупроводниковый позиционно-чувствительный прибор с N-образной вольт-амперной характеристикой на базе линейного или дугового полупроводникового позиционно-чувствительного фотоприемника (ПЧФ) и полупроводникового прибора с N-образной вольт-амперной характеристикой, который имеет линейное изменение тока пика на выходной ВАХ, в зависимости от углового или координатного изменения положения светового зонда на поверхности фоточувствительной области ПЧФ, что позволяет использовать его в качестве координатного или углового управляемого фотопереключателя.

Практическая ценность работы

• Предложенный вариант структуры нового интегрального позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника на основе пятислойной полупроводниковой структуры с N-образной вольт-амперной характеристикой можно использовать при создании датчиков положения, давления, перемещения и других типов, а также оптопар на его основе.
• Предложен полупроводниковый прибор с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой с встроенной защитой от токовых перегрузок в управляющей цепи на основе комбинации двух элементов с N-образной ВАХ, которые позволяют ограничивать диапазон входных и выходных рабочих токов прибора в заданных пределах.
• Предложен комбинированный полупроводниковый позиционно-чувствительный фотоприемник с N-образной ВАХ на базе полупроводникового ПЧФ и полупроводникового прибора с N-образной вольт-амперной характеристикой, который можно использовать в качестве координатно-управляемого фотопереключателя.
• Предложенные математические модели фотоприемников с N-образной ВАХ на основе многослойных полупроводниковых структур позволяют рассчитывать вольт-амперные характеристики и параметры фотоприемников при проектировании фотопреобразователей на базе таких структур.
• Результаты диссертационной работы использованы при проектировании преобразователя угла поворота для датчиков аэродинамических углов Ульяновским конструкторским бюро приборостроения (ОАО «УКБП»).
• Результаты диссертации используются в образовательном процессе кафедры радиофизики и электроники Ульяновского государственного университета при изучении дисциплин «Микроэлектроника» и «Оптоэлектронные устройства»

Положения, выносимые на защиту

• В разработанном интегральном позиционно-чувствительном полупроводниковом фотоприемнике с N-образной ВАХ на основе пятислойной полупроводниковой структуры, в зависимости от пространственного положения светового зонда на его поверхности, происходит либо увеличение тока пика N-образной ВАХ, либо его уменьшение вплоть до полного исчезновения N-участка на ВАХ, т.е. такой фотоприемник является позиционно-чувствительным.
• Разработанный фоточувствительный полупроводниковый прибор с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой, на основе комбинации двух элементов с N-образной ВАХ, один из которых включен в управляющую цепь второго, имеет выходную и передаточную N-образные ВАХ, что обеспечивает ограничение диапазона рабочих токов прибора в заданных пределах.
• Разработанный комбинированный полупроводниковый позиционно-чувствительный прибор с N-образной ВАХ на базе линейного или дугового полупроводникового трехслойного ПЧФ и полупроводникового прибора с N-образной ВАХ имеет линейное изменение тока пика на выходной ВАХ, в зависимости от углового или координатного изменения положения светового зонда на поверхности фоточувствительной области ПЧФ, что позволяет использовать его в качестве координатного или углового управляемого фотопереключателя.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на Международных и Российских конференциях: Международной научно-технической конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации», Курск, 2005, 2008, 2010; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Таганрог, 2006; Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск, 2007, 2010, 2011; Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2007, 2009; Всероссийской Молодежной конференции по физике полупроводников «Наноструктуры, опто- и наноэлектроника», Санкт-Петербург, 2007; Международном форуме-конкурсе «Актуальные проблемы современной науки», Самара, 2007; Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика», Зеленоград, 2008; Российском семинаре «Волоконные лазеры», Ульяновск, 2010; Региональной научной школе-семинаре «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники», Ульяновск, 2009; Международной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве», Протвино, 2011.

Разработка «Фотоприемник с отрицательной проводимостью на основе полупроводниковой структуры» защищена патентом № 2309487 и награждена золотой медалью на 35-й Международной выставке изобретений, новой техники и продукции (18-22 апреля 2007 г., Женева, Швейцария), дипломом Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, за высокий уровень разработок, представленных на выставке в Женеве, дипломом 58-й Международной выставки «Идеи-изобретения-инновации» - “IENA 2006” (1-5 ноября 2006 г., Нюрнберг, Германия), а также дипломом Министерства образования и науки РФ за высокий научно-технический уровень разработки. Разработка «Полупроводниковый прибор со встроенной защитой в цепях управления и нагрузки» (патент на изобретение № 2428765 от 10.09.2011) награждена серебряной медалью на VI Международной ярмарке изобретений SIIF-2010 (2-5 декабря 2010 г., Сеул, Южная Корея).

Получено положительное решение о выдаче патента: Гурин Н.Т., Новиков С.Г., Лычагин Е.В., Родионов В.А., Штанько А.А., Корнеев И.В., Куприянов В.А. «Двухполюсный полупроводниковый позиционно-чувствительный фотоприемник с отрицательной дифференциальной проводимостью», заявка № 2010141198 от 07.10.2010, решение о выдаче патента от 04.08.2011. Заявка на изобретение: Новиков С.Г., Гурин Н.Т., Корнеев И.В., Родионов В.А., Штанько А.А., Маслов В.Н. Истомин Д.А., Белов В.П. «Фотоэлектрический преобразователь углов на основе позиционно-чувствительного фотоприемника дуговой конфигурации» №2011125431 от 20.06.2011 проходит экспертизу по существу.

Результаты работы получены в ходе выполнения грантов: «Теоретические и экспериментальные исследования оптоэлектронных и полупроводниковых структур и приборов для информационно-телекоммуникационных систем», Отчет о НИР, Ульяновск, 2005 г., № гос.рег. 0120.0.600139; Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук» (Государственный контракт № П1158); Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия 1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами» (Государственный контракт № П2142); АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (Рег. номер № 2.1.2/10783); «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области оптики, лазерной физики и лазерных технологий» (Государственный контракт № 02740.11.0224).

Результаты диссертационной работы использованы при проектировании преобразователя угла поворота для датчиков аэродинамических углов Ульяновским конструкторским бюро приборостроения (ОАО «УКБП»).

Личное участие автора

В диссертационной работе изложены результаты, которые были получены автором самостоятельно и в соавторстве, при этом автором разработаны модели фоточувствительных и позиционно-чувствительных полупроводниковых приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением, изготовлены макетные образцы, проведены моделирование, расчеты и экспериментальные исследования, осуществлены обработка, анализ и обобщение полученных результатов.

Достоверность

Достоверность результатов обеспечивается проведением исследований по апробированным методикам, на аттестованных исследовательских установках, базирующихся на серийно выпускаемой измерительной аппаратуре. Подтверждением достоверности разработанных моделей является то, что результаты моделирования, полученные на экспериментальных образцах, качественно совпадают с экспериментальными данными в пределах погрешности.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента, подана 1 заявка на изобретение.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа изложена на 139 страницах текста и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 49 рисунков, 3 таблицы и список использованной литературы из 172 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность проведения разработок и исследования принципов функционирования, моделирования и исследования фоточувствительных полупроводниковых структур и приборов с N-образной вольт-амперной характеристикой, изложены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору литературы и анализу состояния исследуемого вопроса. Проводится классификация структур и приборов с отрицательным сопротивлением и отрицательной проводимостью, в том числе и фоточувствительных, анализ их принципов действия и основных свойств. Показано, что наиболее перспективными и новыми в настоящее время являются N-приборы с оптическим управлением. На основе выполненного в главе анализа определены цель работы и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены физико-топологическое и математическое моделирование и результаты экспериментального исследования нового интегрального позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника на основе пятислойной полупроводниковой структуры с N-образной вольт-амперной характеристикой.

Основной особенностью нового интегрального позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника на основе пятислойной полупроводниковой структуры с N-образной ВАХ является позиционная чувствительность при изменении пространственного положения светового потока.

На рис. 1,а приведена модель, а на рис. 1,б схема замещения позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника с N-образной ВАХ с двумя свободными для доступа светового потока участками, расположенными на одной поверхности с контактными площадками. Фотоприемник представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с планарной n1-p2-n3-p2-n2-структурой, имеющий четыре p-n-перехода. Металлический контакт первого базового слоя p1 объединен с металлическим контактом второго коллекторного слоя n2 и образует второй электрод Э2 структуры, который в силу симметричности структуры может выступать в роли коллектора или базы фотоприемника, а металлический контакт второго базового слоя p2 объединен с металлическим контактом первого коллекторного слоя n1 и образует первый электрод Э1, который также может выступать в роли базы или коллектора фотоприемника. Электрод Э3 соединен с металлическим контактом к области n3 и образует эмиттерный электрод фотоприемника.

а) б)

Рис. 1. Структурная схема (а) и схема замещения (б) интегрального позиционно-чувствительного фотоприемника с N-образной вольт-амперной характеристикой

При облучении световым потоком Ф1 база-эмиттерного перехода структуры n1-p1-n3 (основной транзистор) происходит увеличение тока пика на ВАХ фотоприемника. Данный процесс аналогичен процессу увеличения тока насыщения при освещении обычного биполярного фототранзистора. При облучении световым потоком Ф2 база-эмиттерного перехода структуры n2-p2-n3 (шунтирующий транзистор) значение тока пика на N-образной ВАХ фотоприемника уменьшается за счет уменьшения сопротивления шунтирующего транзистора. При облучении световым потоком всей поверхности фотоприемника преобладает эффект уменьшения сопротивления шунтирующего транзистора, в результате чего происходит уменьшение тока и напряжения пика на выходной ВАХ фотоприемника.