Лекции 1-16, без 15й (Лекция 10)

Посмотреть архив целиком

Лекция №10.

Диэлектрические свойства МОВ.

Тесно связаны с межкристаллитной границы. Высокая нелинейность ВАХ. Для анализа диэлектрических свойств МОВ используют неоднородного диэлектрика Максвелла-Вагнера.

Рис. 1.


Удельное сопротивление прослойки намного превышает Для статических характеристик модель Максвела-Вагнера дает соотношения [1] (при условии t<<d). Здесь и - кажущиеся значения. Таким образом было найдено -170, - . Экспериментальные результаты качественно согласуются с моделью Максвела-Вагнера, однако, количественная оценка неудовлетворительно для реального соотношения t/d (0.001d<=t<=0.1d). Для таких реальных соотношений эксперимент показывает тангенс дельта 0.1-10 МГц, а оценка показывает несколько ГГц. Оценку нельзя проводить без учета сложной структуры материала.

Рис. 2.


Ri, Ci-относятся к межкристаллитной прослойке; Rs, Cs-относятся к обедненному слою на поверхности кристаллита. При таком подходе, расчетная частота максимума тангенс дельта получается 1 МГц. Переход зерно-прослойка играет ведущую роль при формировании нелинейности. Количественная оценка параметров в последней модели приводит к следующим значениям: Ri=500 Ом, Ci=700 пФ, Rs=Ом, Cs=120 пФ. Межкристаллитные прослойки не влияют на диэлектрические свойства МОВ при комнатной температуре. Интересные свойства МОВ выявляются при исследовании вольт-фарадных характеристик. Экспериментально установлено, что емкость МОВ снижается с напряжением. Это снижение составляет примерно 20% при U=Uкласс. В точке перегиба ВАХ емкость резко возрастает на низких частотах и падает на высоких. Граничная частота, разделяющая эти два типа зависимости – около 10 кГц. На высоких частотах наблюдается эффект отрицательной емкости, хорошо известный в полупроводниках с электрической неустойчивостью S-типа. Индуктивная реакция связана с возникновением положительной обратной связи по току. Характерно, что эффект отрицаетльной емкости исчезает с ростом температуры выше 100 градусов Цельсия. При температуре выше 100 градусов емкость возрастает с ростом напряжения. Такие аномалии обусловлены перестройкой спектра поверхностных состояний (набора релаксаторов).

Физические модели варисторного эффекта.

Рассмотрим четыре модели. Они объясняют за счет чего свободные носители преодолевают потенциальные барьеры.

При низких напряжениях (до Uкласс) ВАХ варисторов отвечает эффекту Френкелю-Пула или эффекту Шоттки. При первых объяснениях второго участка ВАХ (где коэфф. Нелинейности больше 50) предполагалось, что нелинейность ВАХ обусловлена токами, ограниченными пространственными зарядами в режиме предельного заполнения ловушек. Позже установили, что в МОВ межкристаллитная прослойка не определяет нелинейность ВАХ и играет второстепенную роль, по сравнению с потенциальным барьером на кристаллитах. В области сильных полей перенос носителей заряда в МОВ осуществляется за счет механизма туннелирования по Фаулеру-Нортгейму, а также за счет ударной ионизации. Отклонение от закона Ома в межкристаллитном переходном слое МОВ могут быть обусловлены либо зависимостью концентрации носителей заряда, либо их подвижности от напряженности поля, либо нарушением теплового равновесия, в следствие джоулева разогрева. Концентрация носителей может возрастать как за счет собственных свободных носителей, например, в следствие термоэлектронной ионизации локализованных состояний, так и за счет инжекции из кристаллита или за счет туннелирования. Эффект Френкеля-Пула является одной из основных причин нелинейности ВАХ МОВ при небольших напряженностях поля. Эмиссия Френкеля-Пула – это объемный эффект перехода термически возбужденных носителей заряда из изолированных состояний в зону проводимости. Термическая ионизации примесей и дефектов, облегченная понижением потенциала ионизации (потенциальным барьером) за счет приложения электрического поля, наблюдается в большом числе полупроводников и в частности определяет вид ВАХ МОВ при не слишком больших внешних напряжениях. При наложении электрического поля потенциальная яма несимметрично искажается, облегчая надбарьерный переход электронов в зону проводимости. Для одномерного случая уравнение имеет вид

[2].

Характерной особенностью эффекта Френкеля-Пула является

[3].

Эмиссия Шоттки.

Рассматривается межкристаллитная граница, образованная двумя областями пространственного заряда, на границе между которыми сосредоточен отрицательный поверхностный заряд. Поверхностные состояния экспоненциально распределены по энергии. Дно зоны проводимости в граничной области не претерпевает разрыва, т. е. бикристалл рассматривается без учета промежуточной области. Эмиссия Шоттки может быть преобладающей в области более высоких температур. В области сравнительно сильных полей (по сравнению с эффектом Френкеля-Пула) имеет место выражение

[4].

При туннельном эффекте носитель заряда, с энергией меньше высоты потенциального барьера имеет отличную от нуля вероятность преодолеть этот барьер, сохраняя при этом свою энергию. Кроме через туннелирования через физически реальный барьер (пленка изолятора, барьер Шоттки), возможно междузонное (зиннеровское) туннелирование. Вероятность туннелирования

[5]

=1,88-для треугольного барьера

=1,4-парабол.

зависит от выбранной формы барьера. В области сильных полей (Е>В/см) туннелирование описывается Фаулера-Нортгейма. Эта формула в упрощенном виде выражает зависимость плотности туннельного тока от напряженности поля

[6].

для =1,88

В, -const

Способ введения эффективной массы заключается в том, что учитывается совместное действие периодического потенциального поля и внешней силы на электрон в кристалле. Эффективная масса есть коэффициент пропорциональности в законе, связывающем силу с ускорением. Экспериментальная ВАХ, обусловленная туннельным эффектом нормализуется в координатах

[7].

При этом высота барьера находится из углового коэффициента нормализованной ВАХ. Механизм Фаулера-Нортгейма может преобладать в областях низких температур. ВАХ от температуры не зависит.

Ударная ионизация.

При достаточно большой напряженности поля носитель заряда за время свободного пробега может набрать энергию достаточную для ионизации примесных центров, собственных дефектов, атомов основного вещества. Генерируемые дополнительно носители заряда или электронно-дырочные пары в свою очередь участвуют в размножении носителей. Если в запрещенной зоне полупроводника имеется достаточное колчиство центров рекомбинации, то состояние с повышенной концентрацией носителей может быть стационарным, т. е. не сопровождаться зависимостью тока от времени, в течение которого приложено напряжение. Если же генерация не компенсируется рекомбинацией, то имеет место лавинное умножение и ток возрастае вплоть до пробоя.

Рис. 3.


Пленочные варисторы.

Планарный варистор

рис. 4.

Варистор типа «сэндвич»

рис. 5.

Нелинейный полупроводник состоит из стеклообразной фазы ZnO-BaO-. Варисторный материал первоначально получают в виде пасты, содержащей тщательно перемешанные порошки ZnO и стеклофлиты, неорганические добавки. На керамическую подложку наносят печатным методом электрод из серебра или сплава серебра с палладием и вжигают. Также вжиганием формируется слой нелинейного полупроводника. Таким образом, при контструкции «сэндвич» осуществлятеся трехкратное вжигание. При планарной конструкции – двукратное вжигание. Поскольку температура обжига цинкоксидной керамики превосходит температуру вжигания серебросодержащих фаз, то в данной технологии осуществляется вплавление в подложку легкоплавкого стекла, содержащего ZnO. Варисторы типа «сэндвич» характеризуются более низким пороговым напряжением (от 5 до 100 В) и коэффициент нелинейности от 10 до 12. Для варисторов планарного типа может достигать 40, напряжение – выше 100 В. Пленочные варисторы это типичный пример применения композиционных полупроводников при технологии изготовления толстых поленок.


Случайные файлы

Файл
178646.rtf
29334-1.rtf
73179.rtf
176577.rtf
referat.doc




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.