7.2. Взрывной шум в обратно смещенных p-n-переходах

Одно из самых первых упоминаний о взрывном шуме было сделано в работе Монтгомери [29] при рассмотрении им шума у -транзисторов из германия. Это явление присутствовало у очень небольшой части транзисторов, демонстрировавших «всплески шума очень нерегулярного характера».

Монтгомери обнаружил, что транзисторы, поврежденные за счет подачи излишне большого напряжения обратного смещения, имеют тенденцию проявлять такой шум.

Типичный вид бистабильного взрывного шумового сигнала приведен на рис. 7.1, а. Он состоит из случайных ступенчатых импульсов, на которые наложен белый шум. Если «обрезать» этот шумовой сигнал таким образом, чтобы исключить составляющую белого шума, то он становится весьма похожим на случайный телеграфный сигнал, как показано на рис. 7.1, б,

Рис. 7.1. Типичный вид токового взрывного шума с наложенным на него белым шумом (а) и после удаления белого шума (б).

Говорят, что такой сигнал симметричен, если среднее время длительности каждого из двух уровней ступени одинаково, и асимметричен, если имеет место значительное отклонение от такого условия. Взрывной шум представлен на рис. 7.1 в масштабе, соответствующем обычно наблюдаемому в эксперименте.

Первые количественные данные о взрывном шуме для приборов с -переходами были приведены Пеем [31] на основе его измерений на обратносмещенном точечно-контактном германиевом диоде. Интересная особенность результатов по которой их можно отличить от результатов последующих исследователей, заключается в сильной зависимости симметричности формы шумового сигнала от величины обратного тока, протекающего через переход; имеется существенная асимметрия при но она становится гораздо менее выраженной по мере увеличения тока, до тех пор пока при взрывной шум приобретает более или менее симметричный вид. Среднее значение частоты повторения, измеренное Пеем, также зависело от величины обратного тока, но значительно слабее.

О взрывном шуме в обратносмещенных кремниевых и германиевых -переходах, возникающем в интервале обратных смещений от 0,7 В до напряжения пробоя, позднее сообщали

Кард и Чаудхари [6]. Они выделили взрывной шум, чтобы исследовать его, так сказать, в чистом виде, подобно тому как это показано на рис. 7.1, б, и измерили функции плотности вероятности для длительностей верхнего и нижнего уровней случайных сигналов прямоугольной формы. Они нашли, что эти функции вероятности есть экспоненты Пуассона (разд. 7.5).

Рис. 7.2. Форма взрывного шума в обратно смещенном (7,5 В) германиевом -переходе. Горизонтальная шкала соответствует вертикальная (Согласно [41], с любезного разрешения Американского физического института.)

Высота ступенек тока по их наблюдениям составляла примерно , а средняя продолжительность всплеска тока, как правило, имела порядок

Кроме того, Кард и Чаудхари сообщили о наличии взрывного шума у туннельных диодов из GaAs при работе в области инжекции при смещениях 0,2 В. Они также попутно сообщили о наблюдениях этого шума у пленок из окиси олова и углерода и у угольных композиционных резисторов, однако в этих случаях это явление быстро исчезает и редко его продолжительность достаточна для проведения статистически надежных измерений.

Статистические свойства бистабильного взрывного шума у обратносмещенных германиевых -переходов тщательно исследовались Вольфом и Холлером [41]. Они провели измерения на обратносмещенных переходах эмиттер — база

диффузионных -транзисторов из германия при напряжениях значительно ниже напряжения пробоя. Коллектор был плавающего типа. Из 20 исследованных образцов только у 4 был обнаружен вывной шум. Они проводили исследования в диапазоне температур от —10 до +20 °С; верхний температурный предел определялся тепловым шумом (при этом случайные прямоугольные импульсы размывались настолько, что их нельзя было уже надежно выделять), нижний температурный предел определялся скоростью повторения этих импульсов, которая становилась слишком малой, чтобы можно было проводить измерения.

Рис. 7.3. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики германиевого -перехода с отрезком горизонтальной прямой, указывающим диапазон смещений, при которых наблюдается взрывной шум. (Согласно [41], с любезного разрешения Американского физического института.)

Рис. 7.4. Зависимость среднего числа всплесков за секунду от обратной температуры для напряжения смещения 7,5 В. Кружки — данные экспериментальных измерений. (Согласно [41], с любезного согласия Американского физического института.)

Типичные примеры токовых импульсов взрывного шума при обратном смещении приведены на рис. 7.2.

Все результаты, о которых сообщили Вольф и Холлер, относятся к одному выбранному типу транзистора. Диапазон обратных смещений, в котором они надежно наблюдали взрывной шум, указывается на рис. 7.3 горизонтальной чертой, на нем проводится обратная ветвь вольт-амперной характеристики перехода при фиксированной температуре. Как можно видеть из

этого рисунка, «мягкий» пробой в переходе возникает при обратном смещении 51 В.

Из результатов Вольфа и Холлера следует несколько интересных выводов. Они нашли, что при постоянном обратном смещении среднее число токовых импульсов за секунду изменяется по экспоненте с показателем, обратно пропорциональным! абсолютной температуре, как показано на рис. 7.4. Сплошная линия на этом рисунке соответствует выражению

где постоянная Больцмана, абсолютная температура. Согласно Вольфу и Холлеру, возможно, что это энергия активации, значение которой, найденное по наклону этой линии, составляет Это больше, чем величина запрещенной зоны в германии. Было обнаружено, что величина 2 не зависит от обратного смещения в диапазоне напряжений 5—30 В, что не соответствует результатам измерений, проведенных Пеем для точечно-контактных диодов.

Распределение плотности вероятности положительных и отрицательных импульсов тока измерялось при температурах Было найдено, что во всех случаях эти распределения имеют вид

где длительность положительного или отрицательного импульса, а среднее значение длительности или Экспериментальные результаты приведены на рис. 7.5, где ясно видна экспоненциальная зависимость. Сравнивая ординаты в том случае, когда из этих графиков можно найти, что отношение изменяется при изменении температуры; оно имеет значение 40 при при и 32 при что указывает на то, что по мере увеличения температуры шумовой сигнал становится менее асимметричным.

Было найдено, что плотности вероятности не зависят от обратного смещения, тогда как высота импульса увеличивается с возрастанием температуры, в конце концов достигая предельной величины, как показано на рис. 7.6.

Наконец, Вольф и Холлер провели измерение спектрального распределения интенсивности шума и нашли, что для частот, больших 150 Гц, оно изменяется по закону (рис. 7.7).

Причина возникновения импульсной помехи у обратносмещенных -переходов все еще не полностью ясна. Предлагалось несколько физических механизмов, один из первых среди них относится к случайным температурным флуктуациям, вызывающим включение — выключение траектории поверхностной проводимости образца. Этот механизм был предложен Кардом

Рис. 7.5. Распределение плотностей положительных (а) и отрицательных (б) токовых импульсов притемпературах Экспериментальные точки обозначены кружками, а числа в круглых скобках указывают количество проанализированных случаев. (Согласно [41], с любезного разрешения Американского физического института.)

Рис. 7.6. Зависимость величины импульса от обратного смещения Экспериментальные точки соответствуют незалитым ( и залитым кружкам. (Согласно [41], с любезного разрешения Американского физического института.)

и Чаудхари и впоследствии получил поддержку у Вольфа и Холлера. Все эти авторы отвергли идею о том, что данное явление связано с пробоем внутри перехода на том основании, что оно имеет место при обратных смещениях, значительно меньших напряжения пробоя.

С точки зрения такого вывода может показаться удивительным, что второй механизм возникновения взрывного шума, который активно обсуждался в литературе, связан с микроплазмой. Как известно, микроплазменные эффекты ассоциируются с пробоем в -переходах; это обстоятельство

Рис. 7.7. Спектральная плотность взрывного шума. Экспериментальные точки обозначены незалитыми кружками, прямая часть сплошной линии соответствует зависимости . (Согласно [41], с любезного разрешения Американского физическое института.)

обсуждалось Шокли [40] и экспериментально исследовалось Мак-Кеем и Мак-Афи [28], Мак-Кеем [27] и Чиноветом и Мак-Кеем [10, 11].

Шум микроплазмы (в отличие от взрывного шума) наблюдается в виде ступенчатого сигнала с амплитудой, приблизительно равной [8]. Сама микроплазма локализуется внутри перехода в областях сильного электрического поля с характерными размерами порядка нескольких сотен ангстрем, в которых трещины и другие дефекты кристаллической решетки содержат ловушки, что приводит к большой плотности заряда в таких местах.

Этот связанный заряд способствует лавинному пробою, когда тот возникает. Образование и последующее разрушение микроплазмы — процесс случайный и он приводит к экспериментально наблюдаемым ступенчатым изменениям тока перехода. Роуз [36] предложил модель для объяснения микроплазменных эффектов, основанную на аналогиях с явлением газового разряда, и, кроме этого, Хайтц [16] рассмотрел модель электрического поведения микроплазмы.

Ступенчатая форма сигнала, которая характеризует микроплазменный шум, указывает на очевидную схожесть с формой взрывного шума, но между ними имеется и существенное различие. В частности, амплитуда взрывного шума на три порядка меньше, чем амплитуда шума, обусловленного микроплазмой, и скорость включения взрывного шума по существу не зависит от напряжения, тогда как длительность цикла микроплазменного шума меняется в зависимости от величины приложенного напряжения.

Шенк [37, 38], который рассматривал связь взрывного шума со старением и отказами приборов, отметил трудности в интерпретации взрывного шума как явления микроплазменного происхождения. В то же время он высказал допущение о том, что эти трудности не непреодолимы и что они не устраняют

полностью возможность того, что взрывной шум обусловлен процессами образования и разрушения микроплазмы. Он полагал, например, что только из того, что взрывной шум наблюдается при напряжениях, значительно меньших напряжений пробоя в объеме перехода, не обязательно должно следовать, что это явление не есть эффект пробоя, оно может быть связано с поверхностным пробоем, который, как известно, имеет место при напряжениях, меньших напряжения пробоя в объеме [13].

Шенк предложил количественную модель для взрывного шума, основанную на допущении, что внутреннее последовательное сопротивление траектории в области сильного поля в переходе составляет 108—1011 Ом. Как он отметил, это гораздо больше, чем величина 103—105 Ом, которую связывают обычно с микроплазмой. Он постулировал следующую последовательность процессов, происходящих в месте возникновения микроплазмы, где имеется напряжение, большее, чем напряжение пробоя.

Носитель заряда, либо генерированный внутри области сильного электрического поля, либо диффундировавший в эту область, приводит к образованию лавины. По мере роста тока падение напряжения на большом внутреннем последовательном сопротивлении увеличивается до тех пор, пока падение напряжения в области сильного поля станет ниже пороговой величины, при которой разряд прекращается. Часть носителей, освобожденных разрядом, будет, вероятно, захвачена в непосредственной близости от области микроплазмы. Из тех носителей, которые повторно освобождаются из ловушек после окончания разряда, некоторые опять запустят в действие этот же механизм. Таким образом, возникает ряд коротких всплесков лавинного тока, и процесс окончится только тогда, когда случайно не окажется повторно освобождаемых носителей для запуска следующего разряда. Такая ситуация будет оставаться без изменений до тех пор, пока весь этот процесс не будет инициирован снова с помощью свободного носителя, диффундирующего в область сильного электрического поля или генерированного внутри этой области.

Шенк предположил, что каждый из экспериментально наблюдаемых импульсов взрывного шума, имеющий амплитуду приблизительно равную и длительность порядка миллисекунды, является на самом деле «усреднением» одной серии коротких импульсов разряда. Главная трудность данной модели заключается в том, что она не объясняет высокое значение внутреннего последовательного сопротивления траектории тока до области сильного электрического поля — условие, на которое она столь существенно опирается. Если постулировать наличие такого сопротивления, то нужная величина амплитуды

токовых импульсов следует из этого почти автоматически; но не трудно видеть, что в этом-то вопрос и состоит. Обычно для возникновения микроплазменных эффектов не требуется столь высокого значения сопротивления току в близлежащих к переходу областях, т. е. импульсы, обусловленные микроплазмой, имеют амплитуды, на несколько порядков большие, чем амплитуды импульсов взрывного шума. Поэтому явно недостаточно просто считать иначе, и затем на основе такого допущения прийти к заключению, что импульсная помеха — это эффект, связанный с микроплазмой. У Шенка имеется намек на то, что в кремниевых приборах такое высокое внутреннее сопротивление может быть связано с поверхностью раздела кремний — окись кремния, но он не привел никаких количественных доводов для подтверждения такой точки зрения.

Явление взрывного шума и его происхождение было рассмотрено в работе Леонарда и Яскольски [22] в связи с функционированием широкополосных интегральных усилителей. Из проведенного исследования они сделали вывод о том, что «шум лопающихся зерен кукурузы» (взрывной шум) имеет место тогда, когда у обратной ветви вольт-амперной характеристики перехода коллектор — база имеются области отрицательного сопротивления, находящиеся около «колена» ветви, соответствующего началу пробоя. Леонард и Яскольски сообщили, что в том случае, когда напряжение обратного смещения было таким, что рабочая точка совпадала с областью подобного отрицательного сопротивления, они наблюдали локальное излучение света. Известно, что микроплазма излучает свет [10], и это привело Леонарда и Яскольски к выводу о том, что взрывной и микроплазменный шумы эквивалентны. Однако они не предпринимали попытки примирить отмеченные выше несоразмерности между микроплазменным и взрывным шумами.

Подобная трактовка Леонарда и Яскольски была поставлена под сомнение Кноттом [21], который провел измерения взрывного шума в дискретных кремниевых планарных транзисторах. Его результаты не подтвердили гипотезы о том, что взрывной шум обусловлен микроплазменными явлениями в обратносмещенном переходе база — коллектор; вместо этого он показал, что в данном случае взрывной шум возникает в области на поверхности или рядом с поверхностью положительно смещенного перехода эмиттер — база. Подобное противоречие между результатами, полученными Леонардом и Яскольски, а также Кноттом, могло означать, что существуют по крайней мере два вида взрывного шума. В самом деле, Орен [30]

утверждал, что взрывной шум — явление сложное, которое никает из-за нескольких причин, в ряде случаев конкурирующих между собой. С его точки зрения, нет причин полагать, что все виды взрывного шума, которые экспериментально наблюдаются, обусловлены единственным физическим механизмом. И это действительно верно, поскольку в определенном емысле взрывной шум в -переходах с прямым смещением имеет существенно иные характеристики по сравнению со взрывным шумом в обратносмещенных -переходах, что возможность предполагать, что в этих двух случаях действуют разные физические механизмы генерации шума. Характеристики взрывного шума в -переходах с прямым смещением рассматриваются ниже.