Диссертация (1097807), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Именно данным эффектомавторыобъяснялинаблюдаемуюнелинейностьВАХ.Следуетотметить,чтопроводимость также экспоненциально зависит от √W и при переносе носителей зарядачерез потенциальный барьер за счет эффекта Шоттки [251]. Поскольку в нашем случаеимеется и сильно легированный ПК, и наблюдается перенос носителей заряда черезпотенциальный барьер, то возможны оба эффекта. В связи с тем, что рассматриваемаясистема многофазная (имеются нанокристаллы, поры, окисленные поверхностинанокристаллов, границы раздела между нанокристаллами), коэффициенты перед √W вэкспоненте могут заметно отличаться от предсказываемых эффектами Пула-Френкеля иШоттки.
В основном это может быть связано с возникающими зарядами изображения иих влиянием на величину электрического взаимодействия. Поэтому мы учтем поправкиза счет эффектов Пула-Френкеля и Шоттки в формулах (6.6) и (6.7), введениемнекоторых коэффициентов ¶/ и ¶ . В результате получим:–*/=4§rd¸/ℎ_ o/∗−^t − ^£rdJ−¢‘ − ¶/ √WL, 6.8rd230–* =4§^t − ^£rdrd¸ℎ_ o−зависимостипроводимости∗J−¢‘ − ¶ √WL. 6.9rdДанные формулы описывают нелинейные ВАХ, и кроме того, как видно из (6.8) и(6.9),температурныеобразцовдолжныноситьактивационный характер.
Проведенные экспериментальные исследования подтвердилиэтот вывод. На рисунке 6.19 представлены температурные зависимости темновойпроводимости σd, измеренной на постоянном токе, для указанных в работекристаллографических направлений. Из рисунка видно, что наблюдается значительнаяанизотропияпроводимости,т.е.проводимостьвдолькристаллографическогонаправления [ 1 1 0 ] значительно выше проводимости вдоль направления [001] во всейобласти исследованных температур. Однако, анизотропия проводимости уменьшается сростом температуры. Из рисунка также видно, что зависимости σd(T) имеютактивационный характер, т.е.
описываются уравнением (3.7).10-110-310-510-710-9-1σd, Ω см-1[110]10[001]-112345678-11000/T, KРис 6.19. Температурные зависимости проводимости ПК с анизотропией формы нанокристаллов длякристаллографических направлений [001] и [ 1 1 0 ]. К образцу приложено напряжение U = 5В.Согласно(6.8)и(6.9)проводимостиэнергияактивациитемпературной^R/, = »^t − ^£ ¼+ ¢‘ − ¶/, √W .зависимостиНаблюдаемое в эксперименте различие в значениях энергии активации получается вслучае, если ¶/ − ¶ = 0.3 В1/2.231На рисунке 6.20 показана температурная зависимость анизотропии проводимости,т.е.
отношения проводимостей вдоль направлений [ 1 1 0 ] (σ1) и [001] (σ2). Видно, чтоанизотропия проводимости уменьшается при повышении температуры. Однако дажепри температурах значительно выше комнатной, анизотропия проводимости в слоях ПКостается достаточно высокой (σ1/σ2 >10). Это свидетельствует о возможностииспользованияданногоэффектавприборах,работающихприповышенныхтемпературах.10001σ /σ2100102 ,62 ,83 ,03 ,23 ,43 ,61 0 0 0 /T , К3 ,84 ,04 ,2-1Рис. 6.20.
Температурная зависимость отношения проводимости вдоль направления [ 1 1 0 ] (σ1) кпроводимости вдоль направления [001] (σ2). Приложенное напряжение U=5 В.6.5.Электропроводность и емкость анизотропного мезопористогокремния на переменном токеНа рис. 6.21 показаны зависимости мнимой части импеданса (-ImZ) отдействительной (ReZ), измеренные при комнатной температуре, для переноса носителейзаряда вдоль кристаллографических направлений [001] и [1 1 0] . Аналогичныезависимости были получены во всем интервале исследованных в работе температур.2322-ImZ, Ом3·102·102·102210f=2.5МГц1052ff=1МГцf01032·1033·1035-ImZ, Ом4·10002·1054·1056·105ReZ, ОмReZ,ОмРис 6.21. Зависимости мнимой (-ImZ) от действительной (ReZ) части импеданса, полученные прикомнатной температуре, для кристаллографических направлений [1 1 0] и [001].
Стрелками показанонаправление увеличения частоты.Одна из возможных простейших эквивалентных схем, позволяющая описатьпредставленные зависимости, приведена на рисунке 6.22.Рис. 6.22. Эквивалентная электрическая схема исследованной структуры.На эквивалентной схеме имеются две параллельные RC-цепочки, соединенныепоследовательно между собой. Одна цепочка (RbCb) описывает влияние на переносносителей заряда потенциальныхбарьеров. В этом случае Rb представляет собойсопротивление, а Cb - емкость потенциальных барьеров.
Другую цепочку (RsCs) можноотождествить с сопротивлением (Rs) и емкостью (Cs) самой кремниевой структуры(объема нанокристалла), уже без учета потенциальных барьеров. Заметим, чтосопротивление Rs может существенно превышает сопротивление монокристаллическойподложки, из которой был получен ПК.
Это связано со значительным уменьшениемконцентрации свободных дырок за счет захвата их на состояния ловушек, возникших в233результате травления. Импеданс представленной эквивалентной схемы, очевидно,определяется выражением:Z=RsRb+,1 + i 2πfR s C s 1 + i 2πfRb C bгде f – частота, i – мнимая единица.При низких частотах переменного сигнала электрический транспорт носителейзаряда определяется главным образом сопротивлением потенциальных барьеров,поскольку Rb>>Rs.С увеличением частоты сигнала сопротивление Rb начинает“шунтироваться” емкостью Cb. Это приводит к тому, что при больших частотахперенос носителей заряда определяется в основном RsCs-цепочкой.На рисунке 6.23 приведены ВАХ, измеренные при комнатной температуре, вслучае переноса носителей заряда вдоль кристаллографических направлений [1 1 0] и[001], полученные при двух значениях частоты переменного сигнала.
Из рисунка видно,что ВАХ, являющиеся нелинейными при малых частотах переменного сигнала,приближаются к линейным с увеличением частоты. Тот факт, что ВАХ являютсялинейными при высоких частотах, может объясняться уменьшением с ростом частотыпеременного сигнала роли потенциальных барьеров в процессах переноса носителейзаряда. По-видимому, сопротивление потенциальных барьеров при высоких частотах480360240120001-1-2-3-4-201I, мкАI, мАпеременного сигнала начинает “шунтироваться” емкостью.-4022-4-20U, В24-60-4-2024-80U, ВРис. 6.23. Вольтамперные характеристики для случая переноса носителей заряда вдолькристаллографических направлений [1 1 0] и [001] измеренные при комнатной температуре.
Цифры награфике соответствуют различным значениям частоты переменного сигнала: (1) – 5 Гц, (2) – 10 МГц.234Частотные зависимости удельной проводимости для двух указанных в работекристаллографическихнаправлений,измеренныеприразныхтемпературах,представлены на рисунке 6.24. Удельная проводимость рассчитывалась по формулеσd =l1Re ,HD Z где l – расстояние между контактами образца, H – длина контактов, D – толщинапленки. В случае проводимости вдоль кристаллографической оси [1 1 0] , на частотнойзависимости наблюдаются два участка. На первом участке, при частотах f<300 кГц,проводимость практически не зависит от частоты во всем интервале исследованныхтемператур. При больших частотах наблюдается второй участок, характеризуемыйростом проводимости с частотой. В случае проводимости вдоль кристаллографическойоси [001] характер частотной зависимости проводимости несколько иной.
В частности,рост проводимости с частотой начинается при гораздо меньших значениях f, чем вслучае проводимости вдоль оси [1 1 0] .-3-42x1010-510-45x10-1-310σ d, Ом см-1-1σ d, Ом см-1370K330K270K210K170K-31,5x10-6010110210310410f, Гц51061071011021031041051061071010f, ГцРис. 6.24. Частотные зависимости проводимости для кристаллографических направлений [1 1 0] и[001], полученные при различных температурах.При низких частотах переменного сигнала проводимость вдоль оси [1 1 0]практически не меняется с частотой. Отсутствие зависимости проводимости от частотысигнала характерно для переноса носителей по делокализованным состояниям.
Как ужебыло сказано, на низких частотах проводимость определяется главным образомсопротивлением потенциальных барьеров исследуемой структуры Rb. При увеличениичастоты сопротивление Rb “шунтируется” емкостью Cb, что приводит к наблюдаемому235в эксперименте росту проводимости. Поскольку сопротивление Rb вдоль направления[001] существенно больше, чем для направления [1 1 0] , то “шунтирование” егосоответствующей ёмкостью будет происходить при более низких частотах. Поэтомурост проводимости в случае электрического транспорта вдоль оси [001] начнется приболее низких частотах, чем в случае электрического транспорта вдоль направления[1 1 0] .Частотныезависимостиемкостидляразличныхкристаллографическихнаправлений и температур показаны на рисунке 6.25.
Как видно из рисунка, емкостьструктуры существенно уменьшается с увеличением частоты. В области низких частотемкость определяется зарядовой емкостью имеющихся в структуре барьеров. Прибольших частотах емкость системы, по-видимому, описывается в основном емкостьюСs и заметно слабее зависит от частоты.-8-81010370K330K270K210K170K-910-10370K330K270K210K170K-11-111010-12-121010-1310-1010C, ФC, Ф10-910-13010110210310410f, Гц5106107010 1011021031041051061071010810f, ГцРис. 6.25. Частотные зависимости емкости для кристаллографических направлений [1 1 0] и [001],полученные при различных температурах.На рисунке 6.26 показаны частотные зависимости анизотропии проводимости,определяемой как отношение проводимости σ1 (вдоль направления [1 1 0] ) кпроводимости σ2 (вдоль оси [001]), для различных температур.236500370K330K270K210K170K4001σ /σ23002001000 010101102103104105106107f, Г цРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
