Характеристики гетероструктур, определяющие скорость перемещения сигнального заряда ПЗС при воздействии внешних полей

Скорость перемещения заряда в приповерхностной области полупроводника гетероструктуры, являющейся зоной перемещения сигнальных зарядовых пакетов ПЗС-структур, в отличие от металла, в значительной степени будет определяться наличием разрешенных состояний с соответствующей плотностью распределения и моноэнергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника в его приповерхностной области.

В [17-24] показано, что при исследовании подобных гетерогенных структур методами термоактивационной спектроскопии, при наличии измеренного термостимулированного тока поляризации/деполяризации (ТСП/ТСД) в виде пика (рис.1.4а), его можно представить одним из следующих соотношений, определяющих порядок кинетики зарядовых процессов, обусловленных наличием данного моноэнегетического уровня:

(1.22)

в случае кинетики первого порядка (m = 1 - см. рис.1.4а),

(1.23)

в случае кинетики второго порядка (m = 2),

, (1.24)

Где

в случае промежуточной кинетики.

В приведенных выражениях r и L - толщины области локализации объемного заряда и образца; n_{t0 -} начальная концентрация носителей заряда, локализованного на ловушках; - скорость нагрева образца; E_t - энергия активации моноэнергетического уровня; I_{0 -} начальное значение тока ТСП/ТСД; _{f, t -} время пролета и захвата свободных носителей заряда на ловушки, T и T_{0 -} текущая и начальная температуры; N_c - эффективная плотность состояний в разрешенной зоне; M_t - концентрация глубоких ловушек, не опустошающихся при нагревании; N_ss - плотность разрешенных состояний в запрещенной зоне полупроводника вблизи границы раздела; _t и _э - частотный фактор опустошения ловушек и эффективный частотный фактор.

В случае, когда зарядовые процессы в гетероструктурах описываются выражением (1.22), имеет место слабый перезахват носителей заряда, для которого справедливо соотношение _э = _t. Если зарядовые процессы в гетероструктурах описываются выражением (1.23), то в этом случае будет иметь место сильный перезахват носителей заряда, для которого _э = _tt/_r (_{r -} время рекомбинации носителей заряда). В обоих случаях, согласно [17]:

, (1.25)

где S_{t -} сечение захвата носителей заряда на ловушки, а v_t - скорость перемещения свободных носителей заряда.

Рис.1.4 Определение характеристик центров захвата на моноэнергетических уровнях: а - пик ТСП/ТСД (1 - для m = 1, 2 - для m = 2, 3 - промежуточный случай); б - прямая в координатах Аррениуса для определения энергии активации моноэнергетических уровней.

Для исследуемых образцов гетероструктур также имеет место следующая взаимосвязь между эффективным частотным фактором и порядком кинетики [17]:

, (1.26)

где T_{m -} температурное положение максимума пика ТСП/ТСД.

Из приведенных соотношений видно, что скорость перемещения свободных носителей заряда связана с эффективным частотным фактором _э согласно (1.25). В свою очередь, _э можно определить, используя выражение (1.26). При этом значение известно заранее, а значения m, T_m и E_t определяется по пику ТСП/ТСД (рис.1.4а). Температурное положение максимума пика определяется непосредственно по измеренной кривой ТСП/ТСД. Энергия активации моноэнергетического уровня в нашем случае определяется по начальному подъему пика ТСП/ТСД. Это возможно в том случае, если возможна его аппроксимация экспонентой [17, 18]. Тогда энергия активации E_t определяется по углу наклона прямой в координатах Аррениуса (см. рис.1.4б). Порядок кинетики процессов можно определить путем идентификации спада измеренного пика ТСП/ТСД с моделями (1.22) - (1.24). Для адекватного их использования при исследовании свойств реальных гетероструктур, прежде всего, необходимо иметь достоверную информацию о плотности разрешенных состояний в запрещенной зоне полупроводника N_ss, которую можно определить методами емкостной спектроскопии.

Из сказанного следует, что кинетика зарядовых процессов в исследуемых образцах гетероструктур и их частотные свойства определяются рядом характеристик (температурное положение максимума пика ТСП/ТСД T_m, его энергия активации E_t, эффективный частотный фактор _э и порядок кинетики m), которые можно определить методами термоактивационной спектроскопии. Подробнее об определении указанных выше характеристик гетероструктур речь пойдет в гл.4.

Однако методики определения приведенных выше характеристик были получены и обоснованы в [17, 18, 22] численным моделированием. При экспериментальном исследовании реальных гетероструктур определение указанных характеристик связано с серьезными проблемами. Это, прежде всего, то, что у них вблизи моноэнергетических уровней практически всегда имеются ловушки (разрешенные состояния) с квазинепрерывным распределением, на котором локализуется фоновый заряд [25-28]. В этом случае начальный подъем и спад пика ТСП/ТСД сильно искажаются, что делает невозможным достоверное определение указанных выше характеристик гетероструктур. Кроме того, реально измеренные пики ТСП/ТСД могут иметь вид, приведенный на рис. 1.5. Такая ситуация характерна для случая сильной маскировки фоновым зарядом двух находящихся рядом моноэнергетических уровней (на рис. 1.5 с температурными максимумами T_m1 и T_m2) или при воздействии наводки (тогда T_m1 на рис.1.5 будет отсутствовать). Очистка пиков ТСП/ТСД от фонового заряда и избавление от неопределенностей, вызванных действием наводок, можно произвести с использованием принципа термоочистки (термовысвечивания) [25], который заключается в следующем. В процессе измерения термостимулированного тока, при выявлении ситуации, когда пик ТСП/ТСД, подобный приведенному на рис.1.4, на этапе начального подъема (до 1/3 от его высоты) экспонентой не аппроксимируется, или ситуации, приведенной на рис.1.5, производится возврат по температуре к началу подъема пика (т.е. охлаждение образца), а затем производится повторный нагрев образца. Однако при этом существует серьезная проблема, связанная с выбором момента начала охлаждения (возврата). Если начать охлаждение сразу после прохождения максимума пика, то можно "недоочистить" пик от фонового заряда. В случае, если начать охлаждение образца после почти полного прохождения пика (или группы пиков), можно потерять значительную часть заряда, локализованного на моноэнергетических уровнях. В любом из указанных случаев пики будут искажены настолько, что достоверное определение зарядовых характеристик, определяющих частотные свойства гетероструктур, становится невозможным. Проведенные эксперименты с участием автора [29-31] позволили с достаточной точностью выявить момент начала охлаждения (подробнее см. в гл.4). Реализация принципа термоочистки в режиме ручного нагрева/охлаждения (недостаточное быстродействие оператора и криостата) позволяет получить очень грубые (приближенные) значения характеристик гетероструктур.

Таким образом, для адекватного использования разработанного для численного моделирования математического аппарата на практике и получения достоверных характеристик, определяющих быстродействие гетероструктур, главная проблема заключается в том, чтобы предельно точно произвести измерение пиков ТСП/ТСД.

Решить эту проблему можно только с использованием адаптивной системы, перестраивающей свои характеристики в соответствии с изменяющимися условиями текущего эксперимента (в режиме реального времени) и имеющей в своем составе экспертную систему, способную отслеживать ход эксперимента, перестраивать характеристики системы и производить вывод заключений о зарядовом состоянии исследуемых гетероструктур. Такую систему можно создать только с использованием средств вычислительной техники (ЭВМ) и гибких (программно-управляемых) узлов и блоков системы, что приводит к ее интеллектуализации.

Рис. 1.5. Вид реальной зависимости термостимулированного тока I (T), при наличии сильной маскировки квазинепрерывными ловушками или наводки.

Существующие тенденции в организации эксперимента

Зарядовые процессы (в том числе в гетероструктурах) как разновидность физического процесса, согласно [32], являются движущейся материей и характеризуются в общем случае многомерной интенсивностью, а также протяженностью во времени и пространстве. По характеру координаты процессы бывают непрерывными или дискретными во времени и пространстве. В макромире физические процессы обычно непрерывны, а дискретные процессы создаются искусственно.

Измеряемая в нашем случае радиофизическая величина (РФВ), являясь разновидностью физической величины, есть одна из характеристик физического процесса или сигнала, которая оценивается количественно с гарантированной точностью и достоверностью.

Для проведения научных исследований создаются все более сложные измерительные системы. В [32, 33] утверждается, что основой повышения эффективности научных (в том числе радиофизических) исследований на данном этапе является их интеллектуализация в сочетании с приданием свойств гибкости и адаптивности. В этом плане существенное значение имеет использование средств вычислительной техники для организации радиофизических измерений, что в настоящий момент является неотъемлемой чертой сложного радиофизического эксперимента (РФЭ), наивысшим уровнем организации которого является его интеллектуализация.

Проблема интеллектуализации в научных исследованиях, судя по публикациям в отечественной и зарубежной научно-технической литературе, активно разрабатывается и обсуждается относительно недавно (с середины 80-х годов [34]). Во многих работах авторы относят к интеллектуальным системы, соответствующие этому понятию лишь отдельными своими свойствами. Так, в 35, 36, по мнению авторов, таким свойством является адаптивность. Однако в этом случае речь идет только об алгоритмической адаптивности. К проявлению интеллектуализации аппаратных средств РФЭ следует отнести появление интеллектуальных датчиков 37, 38 и др. . В настоящее время в мире наблюдается появление нового поколения датчиков, содержащих встроенные ЭВМ и выполняющие функции первичных измерительных преобразователей 39.

В работах 40, 41 подчеркивается возможность достижения предельной точности измерений с использованием априорной информации о свойствах объекта исследования (ОИ), условиях измерений и т.д., а также возможность синтеза измерительных процедур на основе оптимального распределения функций между аппаратной и алгоритмической частями интеллектуальной измерительной системы (ИнИС).

В настоящее время уже получило широкое распространение использование в ИнИС экспертных систем (ЭС). Характерной особенностью всех ЭС является то, что они включают в себя базы данных, базы знаний и системы логических выводов 42-45. В 36 справедливо отмечается, что как у нас в стране, так и за рубежом использование ЭС в составе измерительных систем для научных исследований развито слабо.

В целом, в различных областях создано большое количество измерительных систем, содержащих ЭС, однако в основном представляющих собой эвристическую реализацию ИнИС. Тем не менее анализ публикаций, посвященных интеллектуализации измерительных систем, показывает, что общепринятые концепции в этой области пока отсутствуют, однако просматривается ряд общих черт. К ним можно отнести включение в состав ИнИС ЭС, высокий уровень автоматизации измерений, наличие аппаратной и программной избыточности измерительных средств и развитые интерфейсы (аппаратные и программные). Все эти положения укладываются в общую концепцию интеллектуализации научных исследований.

Следует подчеркнуть, что современный РФЭ требует наличия возможности программного управления средствами воздействия на ОИ, реализации смежных методов измерения РФВ в составе одной системы для радиофизических исследований (СРФИ), ее перестройки на уровне реализованных в ее составе методов измерения РФВ и т.д.

Прогнозируя особенности дальнейшего развития СРФИ, можно утверждать, что их прогресс в значительной степени определяется также расширением возможностей БЗ в составе ЭС и повышением возможностей интеллектуального интерфейса.

Особенности современного эксперимента по исследованию характеристик гетероструктур