Динамический диапазон точечной термопары металл-полуметалл bisb

Динамический диапазон точечной термопары металл-полуметалл bisb

В.Т. Плаксий^*, канд. физ.-мат. наук, доц.;

А.В. Дядченко^*, канд.физ.-мат. наук, ст. научн. сотр.;

В.А. Шалаев^*, канд.физ.-мат. наук, доц.;

О.Н. Сухоручко^**, канд.физ.-мат. наук; И.О. Белоус^*

Введение

Исследованию электрофизических свойств полуметаллов, в особенности висмута и сурьмы, посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Вместе с тем явления, возникающие при протекании электрического тока через контакты металл-полуметалл, изучены недостаточно. Определенный интерес представляют процессы протекания тока через точечные контакты металл-полуметалл BiSb в связи с использованием этих контактов для детектирования и измерения малых уровней непрерывной и импульсной мощности СВЧ-синалов [1]. В частности, представляет интерес исследование пробойных явлений в таких контактах, поскольку эти явления определяют максимально допустимую мощность, подаваемую на детекторы, использующие эти контакты. Вопрос об определении максимально допустимой СВЧ-мощности (вместе с минимально обнаруживаемой мощностью) определяет динамический диапазон приборов рассматриваемого типа.

Постановка задачи

Ранее изложены результаты экспериментальных исследований вольт-амперной характеристики (ВАХ) точечных контактов висмут-висмут (Bi-Bi), точечных контактов металл-полуметалл BiSb с различным процентным содержанием Sb в Bi, сэндвич-структур Bi-Bi₂О₃-Bi при комнатных и низких температурах [2-5]. На ВАХ наблюдались участки отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС), причем во всех случаях S-типа (рис.1). Авторы указанных работ различным образом объясняют данные экспериментальных исследований. В [2] появление ОДС на ВАХ объясняется плавлением материала в приконтактной области вследствие ее разогрева протекающим через контакт Bi-Bi током. Исследования ВАХ у полупроводников монокристаллических сплавов Bi_1-х Sb_х (х = 0,065-0,22) при температуре 4,2 К в электрических полях до 30 В/см показали, что основной причиной возрастания проводимости образцов может быть межзонный пробой [3].

Рисунок 1 - Типичные ВАХ точечной термопары металл-полуметалл BiSb

На совершенных по кристаллической структуре образцах в условиях межзонного пробоя наблюдались S-образные ВАХ. Однако однозначно условия возникновения на ВАХ участка с ОДС не установлены. Одной из причин возникновения S-образной ВАХ в условиях межзонного пробоя может быть уменьшение эффективности рассеяния с увеличением концентрации носителей заряда и при увеличении экранировки потенциалов рассеяния [3]. В работе [4] приведены результаты исследования пробоя точечных контактов металл-полуметалл Bi_1-х Sb_х (х = 0; 0,1; 0,15) при 300 К и 77 К. Показано, что качественно картина пробоя не зависит ни от материала контактного зонда (металла), ни от состава BiSb (полуметалла). Изменение температуры до 77 К приводило к увеличению нелинейности ВАХ в предпробойной области и углублению участка ОДС. На ВАХ наблюдались два устойчивых и воспроизводимых участка ОДС, что указало на электрическую природу пробоя. Определяющей величиной при возникновении пробоя, как свидетельствуют результаты работы [4], является разность потенциалов, приложенная к контакту. Межзонный пробой в этом случае возможен при возбуждении носителей заряда и переходе их из одной энергетической зоны в другую. В работе [5] появление ОДС на ВАХ объясняется пробоем барьерного слоя и туннельными эффектами, но при этом должна была наблюдаться существенная зависимость пробойного напряжения от высоты потенциального барьера. Барьерный слой образуется и на точечных контактах металл-полуметалл BiSb, однако существенной зависимости пробойного напряжения от работы выхода металла при одном и том же составе полуметалла BiSb не обнаружено [4]. На ВАХ контактов металл-полуметалл не наблюдаются характерные для контактов металл-полупроводник прямая и обратная ветви [6]. ВАХ контактов металл-полуметалл до пробойной области остается практически всегда линейной [7]. При 300 К концентрация свободных носителей заряда в BiSb составляет 10¹⁸ см^-3, толщина барьерного слоя порядка 10^-5 см, поэтому носители заряда могут туннелировать через барьер.

Целью статьи является аналитическое исследование участков ОДС на ВАХ и динамического диапазона термоэлектрических детекторов с точечным контактом металл-полуметалл BiSb.

Результаты и обсуждение

Так как барьерный слой в контактах металл-полуметалл BiSb не оказывает существенного влияния на процесс протекания тока, возможен другой тип электрического пробоя таких контактов, а именно пробой в результате ускорения носителей заряда на длине свободного пробега. На границе металл-полуметалл все напряжение, приложенное к контакту, падает на сопротивлении растекания объема полуметалла, и в приконтактной области полуметалла создается сильное поле (порядка 410² В/см). В электрическом поле за время свободного пробега носители заряда получают дополнительную энергию, достаточную для возбуждения дополнительных носителей, что вызывает электрический пробой.

Из решения уравнения Лапласа для контакта с полусферической геометрией следует, что, зная распределение поля

,

где U₀ - приложенное напряжение, r_k - радиус контакта, и длину свободного пробега l носителей заряда в полуметалле, можно определить добавочную к средней тепловой энергию, получаемую носителем в поле^

Если l r_k, то

,

практически вся разность потенциалов, приложенная к контакту, используется на ускорение носителей заряда в течение времени свободного пробега.

Условие возникновения пробоя

,

где _ расстояние между подходящими для возбуждения дополнительных носителей заряда зонами.

Следовательно, условие пробоя (минимальное напряжение пробоя)

Максимально допустимая мощность рассеивания контактом металл-полуметалл

,

где R=/2r_k - сопротивление контакта; _ удельное сопротивление приконтактной области полуметалла.

Динамический диапазон по мощности термопары вычисляется как логарифм отношения максимальной мощности, которую способен рассеивать прибор, к максимально обнаруживаемой:

При определении Р_мин следует учесть результаты работы [5], в которой экспериментально показано, что основным типом шумов в приборах на основе точечного контакта металл-полуметалл BiSb является тепловой шум активного сопротивления прибора

,

где _ постоянная Больцмана; Т₀ - температура; R - сопротивление прибора; f - полоса частот.

Если напряжение шумов равно полезному сигналу, то минимальная мощность определится из условия

,

где _ чувствительность прибора; _ дифференциальная термо-ЭДС BiSb; ₀ - удельная теплопроводность BiSb.

Таким образом,

,

Расчет L как функции параметров материала BiSb и радиуса контакта металл-полуметалл показывает, что при изменении r_k от 310^-6 м до
910^-6 м L изменяется от 56,8 до 58,8 дБ.

Заключение

Из анализа результатов исследования ВАХ точечных контактов металл-полуметалл BiSb следует, что устойчивые и воспроизводимые при комнатной температуре участки ОДС на ВАХ имеют природу электрического пробоя в результате ускорения носителей заряда на длине свободного пробега. Динамический диапазон по мощности определяется электрофизическими свойствами полуметалла висмут-сурьма и конструктивными особенностями термоэлектрического детектора.

Cписок литературы

V.T. Plaksiy, V.M. Svetlichniy, O.N. Sukhoruchko, V.A. Solodovnic. Bismuth-antimony alloys and their application in microwave engineering // The Fourth International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves". _ Kharkov, June 4-9 2001. _ Vol. 1. _ P. 331-332.

Rahman A., Mahanta R. Negative resistance of Bi-Bi₂O₃-Bi sandwich structure // Indian J. Pure and Appl. Phys. - 1976. - Vol.14, № 12. - P. 144-147.

Межзонный пробой и пинч-эффект в сплавах висмут-сурьма / И.Б. Брандт, Е.А. Свистова, Е.А. Свистов, Г.Д. Яковлев // Журн. эксперим. и теор. физики. - 1971. - Т.61, №3. - С. 1078-1082.

Плаксий В.Т., Светличный В.М. Пробойные явления в точечных контактах металл-полуметалл // Лит. физ. сб. - 1974. - Т.14, № 4. - С. 686-687.

Gayley R. Non-ohms behaviour in stationary bismuth contacts // J. Appl. Phys. - 1970. - Vol.41, №13. - P. 5348-5350.

В.Т. Плаксий, О.Н. Сухоручко, А.П. Касьяненко, Б.П. Ефимов. Вольт-амперная характеристика точечных контактов металл-полуметалл BiSb // Вісник Харківського національного університету. Серія Радіофізика та електроніка. - 2002. _ № 1 (544). _ C. 164-166.

В.Т. Плаксий, Э.Д. Прохоров, А.В. Дядченко, В.А. Шалаев, О.Н. Сухоручко. Генерация электромагнитных колебаний в контактах металл-полуметалл BiSb // Вісник Харківського Національного Університету. Серія Радіофізика та електроніка. - 2004. _ № 1 (622). _ C. 23-25.