Высокочувствительные многофункциональные датчики, работающие на основе автоколебаний тока в кремнии

Разработка технологии получения высокочувствительных материалов к внешним воздействиям представляет не только научный, но и большой практический интерес. В этом плане, особый интерес представляет сильно компенсированный кремнии. В таких материалах при комнатной температуре концентрация равновесных носителей тока становится в сотни тысяч или миллионы раза меньше, чем концентрации ионизованных атомов (), а с понижением температуры эта разница ещё более увеличивается. В этом случае система находится в крайне неравновесном состоянии и воздействие малейших внешних факторов (температура, освещенность, давление, электрического и магнитного поля) приводит к существенному изменению электрофизических параметров материала. В связи с этим обнаруженные самовозбуждающиеся и незатухающие автоколебания тока, типа температурно-электрической неустойчивости (ТЭН) в сильно компенсированном кремнии представляет большой научный и практический интерес. Большой интерес к этим эффектам связан, во-первых, с тем, что до настоящего времени до конца не изучены механизмы и природа этого уникального эффекта, во-вторых, обнаружение стабильных и регулярных автоколебаний тока в полупроводниках, позволяет создать принципиально новое поколение приборов функциональной электроники и многофункциональных универсальных датчиков физических величин. Для этого нами были исследованы автоколебания тока типа ТЭН в сильно компенсированном кремнии, легированном марганцем. Сильно компенсированные образцы для исследования были получены по известной диффузионной технологи [1]. В качестве компенсирующих примесей были использованы чистые атомы марганца. Выбор этих примесей продиктован, с одной стороны тем, что атомы марганца в кремнии могут находится в кристаллической решетке во многозарядовых (Mn⁰, Mn⁺, Mn⁺⁺) состояниях, которого является очувствляющих центров, а с другой стороны, технология получения компенсированного кремния, легированного этим примесям с воспроизводимыми свойствами нами достаточно хорошо отработаны, что и даёт возможность получить достоверные результаты.

Для исследования влияния концентрации электрически активных атомов марганца на условие возбуждения и параметра автоколебания тока нами были использованы сильно компенсированный кремний, легированного марганцем Si<B,Mn> с удельными сопротивлениями , на основе промышленного монокристаллического кремния КДБ-1, КДБ-10 и КДБ-100. Максимальная концентрация электрически активных атомов марганца в этих образцах составляло N_Mn=2∙10¹⁶ см^-3, N_Mn=2∙10¹⁵ см^-3, N_Mn=2∙10¹⁴ см^-3 соответственно, т.е. концентрация электрически активных атомов марганца в образцах p-Si<B,Mn> изменялась в интервале N_Mn=2∙10¹⁴ см^-3 ÷ 2∙10¹⁶ см^-3 .

Результаты исследования показали, что концентрация электрически активных атомов марганца N_Mn<2∙10¹⁴ см^-3 в компенсированных образцах автоколебания тока не наблюдается. Верхняя граница концентрации электрически активных атомов марганца N_Mn=2∙10¹⁶ см^-3 соответствует максимальной предельной растворимости марганца в кремнии.

Рис.-1. Зависимость параметры и формы автоколебаний тока от напряженности электрического поля в образцах с удельным сопротивлением ρ=1,2·10⁵ Ом·см.

Установлено, что автоколебания тока типа ТЭН в сильно компенсированных образцах p-Si<B,Mn> наблюдается в интервале концентрации электрически активных атомов марганца N_Mn=2∙10¹⁴ см^-3 ÷ 2∙10¹⁶ см^-3.

Показано, что с ростом концентрации электрически активных атомов марганца от N_Mn=2∙10¹⁴ см^-3 до N_Mn= 2∙10¹⁶ см^-3 пороговая напряженность электрического поля (минимальное значение электрического поля, при котором наблюдается стабильные и регулярные автоколебания) уменьшается в 6 раз. Спектральная область существования автоколебания тока смещается в сторону меньших энергий монохроматического излучения.

Из рисунка видно, что выбирая разный тип проводимости, управляя степенью компенсации материала, изменяя температуры образца, освещенности, электрического и магнитного поля можно управлять формой и параметрами автоколебаний тока. При этом частота автоколебания тока меняется в интервале f=10^-3 ÷10⁴ Гц и амплитуда I=10^-6÷1 A с коэффициентом модуляции к&#;100 %.

Также установлено, что условия возбуждения и параметры автоколебаний тока очень чувствительны к влиянию внешних воздействий, т.е. такая чувствительность параметров автоколебаний тока даёт возможность создать совершенно новые виды функциональных датчиков внешних воздействий. Характеристики таких датчиков внешних воздействий (температуре, освещенности, давление, электрического и магнитного поля) приведено в таблице.

Таблица 1

Как видно из таблицы чувствительность датчиков на основе автоколебаний тока типа ТЭН намного превосходит существующий подобные датчики [2-8]. При этом следует отметить, что коэффициент чувствительности датчика для каждого вида внешнего воздействия определен при постоянных значениях всех величин воздействия. Из таблицы следует, что генераторы автоколебаний тока могут работать, как многофункциональные универсальные датчики. Эти датчики могут быть использованы для измерения и контроля различных физических величин: температуры, давления, освещенности, электрических и магнитных полей.

На основе полученных экспериментальных результатов показана возможность создания принципиально новых классов датчиков различного назначения с амплитудно-частотным выходом. Такие датчики обладают достаточно высокой чувствительностью, а также являются многофункциональными из-за модулированного выходного сигнала по частоте и амплитуде, что даёт дополнительную возможность работы с датчиком в дистанционном режиме.

Литература:

1. Больтакс Б.И., Бахадирханов М.К. Компенсированный кремний. Л. Наука, 1972 г.

2. Курова И.А., Ормонт Н.Н. Особенности фотоэлектрических свойств слоистых пленок аморфного гидрированного кремния. ФТП, 2010 г., т. 44, вып.12, стр.1624.

3. Якушев М.В., Варавин В.С., Васильев В.В., Дворецкий С.А., Предеин А.В., Сабинина И.В., Сидоров Ю.Г., Сорочкин А.В., Сусляков А.О. Субматричный фотоприемный модуль на основе гетероструктуры HgCdTe/Si(310). Письма в ЖТФ, 2011 г., т. 37, вып.4, стр.546.

4. Вершовский А.К., Пазгалев А.С. Квантовый магнитометр с оптической накачкой, использующий две компоненты сигнала прецессии магнитного момента. Письма в ЖТФ, 2011 г., т. 37, вып. 1, стр. 48.

5. Боднарь И.В., Рудь В.Ю., Рудь Ю.В. Фоточувствительные структуры на монокристаллах MnIn2 S4: создание и свойства. ФТП, 2009 г., т. 43, вып. 11, стр.1549.

6. Хвостиков В.П., Сорокина С.В, Потапович Н.С., Хвостикова О.А., Малевская А.В., Власов А.С., Шварц М.З., Тимошина Н.Х., Андреев В.М. Термофотоэлектрические генераторы на основе антимонида галлия. ФТП, 2010 г., т. 44, вып.2, стр. 270.

7. Кабанов В.В., Лебедок Е.В., Рябцев А.Г., Рябцев Г.И., Щемелев М.А., Шерстнев В.В., Астахова А.П., Яковлев Ю.П. Температурная зависимость внутренних параметров дисковых лазерных диодов InAs/InAsSbP. ФТП, 2009 г., т. 43, вып. 4, стр.522.

8. Боднарь И.В., Павлюковец С.А., Рудь В.Ю., Рудь Ю.В. Выращивание монокристаллов FeIn2S4 и создание фоточувствительных структур на их основе. ФТП, 2009 г., т.43, вып. 11, стр. 1553.