5.6. Экспериментальное измерение генерационно-рекомбинационных шумов

Эквивалентное шумовое сопротивление флуктуаций напряжения, связанное с генерационными процессами через ХШР-центры в обедненных слоях переходов затвор — канал, имеет вид [уравнение (5.42)]

где постоянная времени центров [уравнение (5.43)], а константа пропорциональности является функцией напряжений на затворе и стоке. При фиксированных напряжениях смещения и для данной частоты величина достигает максимума при Так как величина сильно зависит от температуры, а константа пропорциональности имеет слабую температурную зависимость (по крайней мере в тех случаях, когда уровни ловушек захвата попадают на собственный уровень Ферми), то из этого следует, что при изменении температуры величина должна иметь один или несколько максимумов в зависимости от числа различных центров захвата носителей (ловушек), присутствующих в образце.

Подобное поведение на самом деле наблюдалось Хаслеттом и Кенделлом [18]. Они провели измерения шумов на большом количестве -канальных ПТ различных фирм-изготовителей и обнаружили удивительное согласие результатов, полученных на различных образцах. В качестве примера на рис. 5.6 приводятся результаты их измерений зависимости эквивалентного шумового напряжения от температуры. Транзистор, на котором проводились измерения, был отобран как имеющий малые шумы при комнатной температуре. Подобные же кривые были получены в большинстве случаев для большого количества ПТ одного и того же типа, единственным различием была небольшая разница в величине пиков и температурах, при

которых они имеют место. Даже транзисторы разных фирм-изготовителей давали сходные результаты; во всех случаях наблюдались ярко выраженные пики, как на рис. 5.6. Было найдено, что температура, при которой определенный пик имеет место, уменьшается по мере уменьшения частоты, на которой проводились измерения.

Рис. 5.6. Зависимость эквивалентного шумового напряжения от температуры при постоянном значении частоты (согласно работе [18], с любезного разрешения,

Такое поведение соответствует уравнению (5.48).

Так как золото стали использовать в коммерческих ПТ, то очевидно присутствие некоторого количества золота в кристаллической решетке кремния у таких приборов. Теперь уже золото в кремнии является хорошо изученным амфотерным центром с акцепторным уровнем, очень близким к собственному уровню Ферми в середине запрещенной зоны кремния, и донорным уровнем около над границей валентной зоны.

Хаслетт и Кенделл предположили, что этот акцепторный уровень золота обусловливает пик шума при температуре около 300 К (рис. 5.6). Этот пик ярко выражен и наиболее понятен из наблюдаемых. Существование же пика между 100 и 200 К объяснить труднее, но с уверенностью можно считать, что этот пик не связан с донорным уровнем золота, так как он находится значительно ниже середины запрещенной зоны кремния, чтобы давать шумовой вклад, сравнимый по величине с вкладом, обусловленным акцепторным уровнем золота. Кроме того, маловероятно, чтобы этот пик был обусловлен кислородом, как это предположили Клаассен и Робинсон [35], так как в этом случае значение сечений захвата должно быть неразумно большим. Хаслетт и Кенделл [18] предположили, что механизмом, обусловливающим появление данного пика, может быть межзарядный обмен носителей между дислокациями (которые действуют в качестве ловушек с энергией и сечениями захвата, близкими к тем, что у акцепторного уровня золота) и уровнем золота, расщепленным за счет напряжений в кристаллической

решетке. Третий пик, который на частоте всегда наблюдается вблизи 80 К, самый острый, а в ряде случаев и самый большой среди всех наблюдаемых. Причина появления этого пика также пока не ясна, но, согласно Хаслетту и Кенделлу, он может определяться некоторой странной связью между уровнями ловушек, которые меняют компоненту шума, связанную с краями области перехода.

Интересное исследование низкочастотного избыточного шума было проведено недавно Кандиахом и Вайтингом [26]. Их конечная цель заключалась в улучшении характеристик -переходами в усилителях, которые использовались в спектрометрии с детекторами ядерных излучений. В данном применении требования к шумовым характеристикам приборов очень жестки. Они провели измерения на -канальном ПТ с четырьмя выводами, один лишний вывод присоединялся к -подструктуре и функционировал как второй затвор. Этот вывод второго затвора использовали только для определения условий смещения, в то время как верхний затвор использовался в качестве сигнального. Шумы измерялись в функции напряжения смещения на втором затворе; при этом температура и ток стока служили переменными параметрами. Как и в работе Хаслетта и Кенделла, и в этих исследованиях при изменении температуры пики появлялись и исчезали.

Однако самым замечательным в методе, использованном Кандиахом и Вайтингом, было то, что он позволял наблюдать за флуктуациями единичных зарядов на индивидуальных ХШР-центрах. Это достигалось очисткой канала за счет изменения смещения на втором затворе. В частности, центр, находящийся перед началом этой процедуры в обедненном слое над каналом, по мере увеличения напряжения смещения на втором затворе до среднего уровня переходил в канал, а затем по мере того, как напряжение смещения на втором затворе достигало максимального значения, и в обедненный слой, который находился под каналом ПТ. Если флуктуации зарядовых состояний ХШР-центра зависят от его местоположения, приводя, скажем, к существенному различию уровня флуктуации при расположении центра в нейтральной или обедненной области -перехода, то и шум должен зависеть от напряжения смещения на втором затворе и кривую этой зависимости можно использовать для изучения источников избыточного шума в таких ПТ.

Кандиах и Вайтинг нашли, что большая часть избыточного шума появляется за счет ХШР-центров, локализованных в узкой переходной области шириной около 1000 А между

каналом и полностью обедненной областью перехода затвор — канал. На рис. 5.7 приводится пример их наблюдений, указывающий на присутствие двух центров, которые обозначены буквами Эти центры вносят сравнительно большой вклад в шум в тех случаях, когда они расположены либо непосредственно под каналом, либо непосредственно над ним.

Рис. 5.7. Избыточный шум ПТ с -переходом в зависимости от напряжения смещения на втором затворе для двух значений тока стока (согласно работе [26], с любезного разрешения «Пергамон Пресс»).

Большие различия в между пиками и при большем токе стока являются мерой увеличения ширины канала в этом случае. Вообще говоря, чем больше число активных центров в данном объеме «высасывается» каналом, тем большее количество пиков будет наблюдаться на кривых шумов, подобных тем, которые представлены на рис. 5.7; как отметили Кандиах и Вайтинг, было бы ошибкой считать, что во всех случаях ситуация так же проста, как показанная здесь.

Кандиах и Вайтинг связывают пики шума с ХШР-центрами с мелкими энергетическими уровнями в запрещенной зоне полупроводника. О наблюдениях значительного шума от таких центров при низких температурах сообщали Хаслетт и Кендалл [18] и Ванг с сотр. [70]. Если бы эмиссия заряда была только единственным механизмом действия такого мелкого центра, то время нахождения центра в одном зарядовом состоянии

было бы намного больше, чем время нахождения в другом, за счет асимметрии уровня энергии центра в запрещенной зоне. Шум от такого центра в этом случае был бы незначительным. Однако если некоторое количество свободных зарядов находится вблизи данного центра, то время флуктуации значительно уменьшилось бы в результате процессов захвата зарядов, и шум такого центра был бы заметен. Такой механизм был предложен Кандиахом и Вайтингом для объяснения избыточного шума, наблюдаемого в случае очень узкой переходной области (см. сноску на с. 136) между каналом и полностью обедненной областью перехода. По-видимому, попеременная эмиссия электронов и дырок с центров, имеющих уровни в середине запрещенной зоны и находящихся на всем протяжении обедненного слоя (механизм, рассмотренный Сахом [50]), вносит незначительный вклад в низкочастотный шум при температурах ниже 200 К.

Согласно работе Кандиаха и Вайтинга, число активных ХШР-центров с мелкими энергетическими уровнями в переходной области (см. сноску на с. 136) качественного ПТ с шириной канала около и длиной канала около находится в интервале 3—10. А так как именно эти изолированные центры главным образом и определяют уровень шума, имеется возможность по крайней мере для ПТ с четырьмя выводами подобрать условия работы (температуру, ток стока и напряжение смещения), которые минимизируют шум в нужном частотном диапазоне. Этот метод неоднократно приводил к выгодам при использовании таких ПТ в спектрометрии рентгеновского излучения.