ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОАКТИВНЫХ КОМПЕНСИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ МАРГАНЦА НА ТЕМПЕРАТУРНУЮ ОБЛАСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ АВТОКОЛЕБАНИЯ ТОКА ТИПА ТЕМПЕРАТУРНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ (ТЭН)

АННОТАЦИЯ

В статье изложены результаты исследования влияния концентрации электроактивных компенсирующих примесей марганца на температурную область существования автоколебания тока в сильно компенсированном кремнии, легированном марганцем. На основе полученных экспериментальных результатов определены оптимальное условия возбуждения регулярных и стабильных автоколебаний тока при различных значениях концентрации электроактивных компенсирующих примесей марганца в кремнии.

ABSTRACT

Тhe article presents the results of a study of the influence of the concentration of electroactive compensating manganese impurities on the temperature region of the existence of current self-oscillations in highly compensated silicon doped with manganese. On the basis of the experimental results obtained, the optimal conditions for the excitation of regular and stable current self-oscillations were determined for various concentrations of electroactive compensating manganese impurities in silicon.

Ключевые слова: сильно компенсированный кремний, автоколебания тока, фоточувствительность, температурная область, пороговое поле.

Keywords: highly compensated silicon, current self-oscillations, photosensitivity, temperature range, threshold field.

Исследование фото и термоэлектрических свойств кремния с различными концентрациями электроактивных компенсирующих примесей в условиях сильной компенсации представляет большой научный и практический интерес. Такие исследования не только позволяют управлять формами и параметрами автоколебаний тока типа ТЭН, но и создать на их основе новый класс более чувствительных многофункциональных приборов.

Анализ опубликованных экспериментальных данных авторов [1, с.258, 2, с.1291, 3, с.14] показал, что компенсированный кремний, легированный марганцем в условиях сильной компенсации, обладает уникальными электрофизическими свойствами, существенно расширенной областью температурной и спектральной фоточувствительности, а также показаны возможности создания принципиально новых классов электронных приборов на их основе [4, с.254, 5, с. 426, 6, с.49].

Для исследования в качестве исходного материала был выбран монокристаллический кремний р-типа марки КДБ с удельными сопротивлениями , где концентарация исходного бора составляла

В качестве компенсирующих примесей был выбран марганец, так как марганец химически активно взаимодействуют с другими дефектами кристаллической решётки, а также нами хорошо отработана термодиф-фузионная технология получения сильнокомпенсированного кремния, легированного марганцем, с заданными и воспроизводимыми параметрами. Для получения сильно компенсированного кремния с различной концентрацией электроактивных компенсирующих примесей, диффузия марганца производилась из газовой фазы в специальных вакуумированных кварцевых ампулах, при этом в каждую ампулу было помещено по 10 образцов исходного материала, чтобы обеспечить одинаковые условия легирования и скорости охлаждения. После диффузии марганца были получены образцы сильно компенсированного кремния, легированного марганцем Si<B,Mn>, концентрация электроактивных компенсирующих примесей марганца которого составляла  

Электрофизические и фотоэлектрические свойства сильно компенсированных образцов Si<B,Mn> изучались методом эффекта Холла и на установке ИКС-21, снабженной специальным криостатом, позволяющим исследовать спектральную зависимость фотопроводимости в широком интервале температур, электрического поля, различной интенсивности фонового и инфракрасного монохроматического освещения. Для определения влияния концентрации электроактивных атомов марганца на температурную область существования автоколебаний тока нами было исследовано влияние температуры на условия возбуждения и параметры автоколебаний тока в образцах р-Si<B,Mn>  с различными концентрациями исходного бора. При этом концентрация электроактивных примесных атомов марганца в исследуемых образцах находилась в интервале  Исследования проводились с изменением температуры шагом DТ=5 К, а в области затухания автоколебаний тока при шаге DТ=1К в широком интервале температур Т=80 ÷ 350 К.

Рисунок 1. Зависимость амплитуды автоколебаний тока от температуры в образцах

р-Si<B,Mn> . Е=400 В/см,  hn =1.13 эВ.

1. ,  (Исходной образцы КДБ-1)

2. ,  (Исходной образцы КДБ-10)

3. ,  (Исходной образцы КДБ-100)

Результаты исследования показали, что в образцах р-Si<В,Mn> с увеличением температуры форма автоколебаний сильно меняется. На рис.1 приведены зависимости амплитуды автоколебаний тока от температуры, в образцах с одинаковым удельными сопротивлением , но с различными концентрациями электроактивных примесных атомов марганца. Как видно из рисунка, в сильно компенсированных образцах р-Si<В,Mn>, полученные на основе исходного кремния КДБ-100 (где концентрация электроактивных атомов марганца составляет автоколебания тока существуют в интервале температур  (кривые 3), а в образцах р-Si<В,Mn>, в которых концентрация электроактивных атомов марганца на порядок больше, т.е.  область существования автоколебаний тока сужается и наблюдается в интервале температур  (кривые 2).

В образцах с  максимальной  концентрацией  электроактивных  атомов марганца, которая равна , область существования  автоколебаний тока смещается в сторону низких температур и наблюдается в интервале температур Т=80 ÷ 150 К (кривая 1). Как видно из рисунка, при одинаковых условиях (электрическом поле, интенсивности монохроматического света, геометрических размерах образцов и т.д.) зависимость изменения амплитуды автоколебаний тока сильнее в тех в образцах, где концентрация электроактивных атомов марганца составляла , хотя  при  этом  сужается  температурная  область  существования,  но увеличивается глубина модуляции автоколебаний тока. В этих же образцах изменения частоты в зависимости от концентрации электроактивных атомов незначительны. Значения частоты с ростом температуры увеличиваются. Из результатов исследования можно показать, что с уменьшением концентрации электроактивных атомов марганца граница срыва автоколебаний смещается в сторону высоких температур.

Эти исследования показали особенности ТЭН в сильно компенсированных образцах р-Si<В,Mn>, где концентрация электроактивных атомов марганца составляла . При этом показано, что не только управляя внешними условиями (температурой, освещением, электрическим полем, магнитным полем, давлением и др.), но и управляя электрофизическими параметрами самого материала, можно получить автоколебания тока с необходимыми стабильными и воспроизводимыми параметрами. Также показано, что условия возбуждения и параметры автоколебаний тока сильно зависят не только от технологии получения сильно компенсированных образцов, но и от подбора концентрации бора в исходных образцах кремния и от концентрации компенсирующих примесных атомов. Эти исследования дали возможность четко определить граничные области существования автоколебаний тока от температуры, а также получить дополнительную информацию для объяснения механизма автоколебаний тока. Кроме того, определение температурной области существования автоколебаний тока показывает возможности практического применения твердотельных генераторов на основе образцов Si<B,Mn>  в определенном температурном интервале.   

Заключение

• На основе полученных экспериментальных результатов определены оптимальные условия возбуждения регулярных и стабильных автоколебаний тока при различных значениях концентрации электроактивных компенсирующих примесей марганца в кремнии.
• Управляя концентрацией электроактивных компенсирующих примесей марганца в образцах р-Si<B,Mn> можно управлять температурной областью существования, формой и параметрами автоколебаний тока в большом интервале, т.е. при этом частота автоколебаний тока типа ТЭН меняется в интервале  амплитуда  с коэффициентом модуляции .
• Параметры автоколебаний тока сильно зависят от внешних воздействий (освещенности как монохроматического, так и интегрального света, температуре, электрического и магнитного поля и т.д.). Такая высокая чувствительность параметров автоколебаний тока типа ТЭН даёт возможность создать функциональные высокочувствительные датчики с уникальными свойствами на основе сильно компенсированного кремния.

Список литературы.

1. Bakhadyrkhanov M.K., Mavlyanov A.Sh., Sodikov U.Kh., Khakkulov M.K. Silicon with Binary Unit Cells as a Novel Class of Materials for Future Photoenergetics // Applied Solar Energy, 2015, Vol.51, №4, pp.258-261.
2. Бахадирханов М.К., Валиев С.А., Насриддинов С.С., Эгамов У. Особенности термических свойств сильнокомпенсированного Si<B,Mn>. //Неорганические материалы. Т.45, №11, Ноябрь, 2009, стр.1291-1293.
3. Саъдуллаев А.Б., Курбанов Н.А. Влияние концентрации электроактив-ных атомов марганца на гальваномагнитные свойства кремния в условиях сильной компенсации. Российский научный журнал «Наука, техника и образование». Москва 2017 г. №3, с.14-16.
4. Zikrillaev N.F., Sadullaev A.B. Power spectra of impurity in semiconductors in the condition of strong compensation. SSP-2004. 8-th International Conference SOLED STATE PHYSICS, August 23-26, 2004, Almaty, Kazakhstan Abstracts Almaty-2004, pp-254-255.
5. Бахадирханов М.К., Аюпов К.С., Мавлянов Г.Х., Илиев Х. М., Исамов С.Б. Фотопроводимость кремния с нанокластерами атомов марганца. Микроэлектроника, 2010, том 39, № 6, с. 426-429.
6. Саъдуллаев А.Б., Умиров А.П. Высокочувствительные датчики магнитного поля на основе сильно компенсированного кремния, работающие при наличии фонового освещения.  Российский научный журнал «Universum» Москва 2018 г. №4, стр. 49-54.