Температурно-електрична нестійкість (ТЕН) у напівпровідникових монокристалах CdSb

Нелінійність вольт-амперної характеристики (ВАХ) є характерною рисою не тільки багатьох напівпровідникових приладів, у яких є р-п-переходи, а й багатьох напівпровідників [1]. В останньому випадку, якщо виключити особливості, пов’язані з контактними явищами, вона частіше всього обумовлена ефектами сильних полів. Адже в сильних полях спостерігається залежність рухливості від величини поля аж до насичення швидкості, від'ємна диференціальна рухливість (ефект Ганна), ударна йонізація і пробій. Проте і в слабких електричних полях можливі прояви нелінійності ВАХ [2].

Значний інтерес мають дослідження нелінійних ВАХ не тільки в приладах, а й у матеріалах, оскільки вони мають як прикладне значення, так і дають можливість пояснити з фізичної точки зору причини прояву нелінійності. Крім того, на нелінійність ВАХ сильно впливають різноманітні зовнішні дії: магнітне поле, механічна деформація, освітлення, зміна температури та ін.

У матеріалах напівпровідників від’ємна диференціальна провідність обумовлює доменну електричну нестійкість N-типу [3] або ВАХ S-типу. Причиною нелінійності ВАХ можуть бути як польові ефекти [4], так і теплова дія струму [5]. Проте можливим є механізм термопольової йонізації домішкового центра, тобто комбінований тип термічної й польової йонізації [6]. Існують прямий і каскадний механізми термопольової йонізації з основного стану рівня через перший збуджений рівень у зону провідності. Залежність ймовірності йонізації домішкового центра в напівпровідникові від напруженості прикладеного електричного поля змінює його ВАХ так, що стають помітними відхилення від закону Ома.

Цікавим є механізм прояву S-подібності ВАХ у сильнолегованих і одночасно компенсованих напівпровідниках [7]. При низьких температурах і великих ступенях компенсації (вище 75 %) електрони перебувають в ізольованих краплях, і електро-провідність такого матеріалу дуже низька. Електричне поле “гріє” електронну підсистему і різко збільшує заселеність станів з великою рухливістю. Це і призводить до появи від’ємного диференціального опору. Таке явище аналогічне до теплового пробою. Але в цьому випадку нагрівається тільки електронна підсистема, а температура решітки залишається незмінною. Тому досліджуване явище можна назвати тепловим пробоєм електронних крапель. Якщо ж ступінь компенсації матеріалу менша 75 %, ВАХ не матиме S-подібного характеру, оскільки енергія активації виникає тільки при великих ступенях компенсації. Слід додати також, що в цьому випадку критичне електричне поле сильно збільшується з ростом ступеня компенсації.

Не тільки тепловий пробій або комбінована термопольова йонізація призводять до виникнення ділянок ВАХ з від’ємною диференціальною провідністю (ВДП). В електронному германії з домішками міді або золота спостерігається явище збільшення коефіцієнта захоплення гарячих носіїв на від’ємно заряджені домішкові центри. Це явище ефективно проявляється в умовах світлової генерації носіїв [3] і обумовлює ділянку ВАХ з ВДП.

Дискретні метастабільні стани (високоомний і низькоомний) спостерігаються як у моноатомних, так і складних напівпровідникових сполуках [8]. Під дією електричного поля стехіометричні ниткоподібні монокристали Sb2S3 перемикаються з високоомного у низькоомний стан. Експеримент доводить, що названий ефект викликаний зміною напівпровідникової провідності на металічну і пов’язаний з нагріванням кристала в момент дії електричного поля. Кристали зі стабільного низькоомного стану у високоомний стан повертаються під впливом сильного високочастотного або надвисокочастотного полів або нагрівання.

У складних напівпровідникових монокристалах селеніду цинку, сульфіду кадмію, селеніду кадмію та ін. в умовах ТЕН експериментально зафіксовані коливання струму [9, 10]. В області азотних температур в монокристалах селеніду кадмію отримано залежності періоду коливань від освітленості зразка, прикладеної напруги, температури зразка, а також температурні залежності амплітуди коливань. Коливання існують тільки в певній області температур і освітленостей. Їх причиною є виникнення осцилюючої в часі, але нерухомої області сильного електричного поля й підвищеної температури. Підвищення температури, звичайно, в середній частині кристала, в результаті джоулевого нагріву обумовлює ефект температурного гасіння фотопровідності. Якщо інтенсивність цього процесу достатньо велика, то у зразка виникає область сильного електричного поля. Тоді ВАХ такого зразка має ділянку з ВДП. У згаданій області електричне поле і температура періодично змінюються, викликаючи в колі коливання струму. Сама ж нестійкість обумовлена виникненням нерівноважного розподілу електронів внаслідок оптичної перезарядки рівнів із наступним спонтанним переходом у стан рівноваги.Проте і в моноатомних напівпровідниках з глибокими рівнями також спостерігаються низькочастотні коливання струму в умовах ТЕН [11-13]. У сильно компенсованих зразках (р-Sі з домішками марганцю) динаміка ТЕН стає значно складнішою [14] аж до переходу до динамічного хаосу і автоколивної бістабільності. Перехід від регулярних автоколивань фотоструму до хаотичних здійснюється через ланцюжок біфуркацій подвоєння періоду коливань. Автоколивання струму, крім того, проявляють властивість гістерезису.