Характеристики N-типа c отрицательным сопротивлением

Пленки окислов металлов Толщиной свыше 100 А, полученные термическим окислением или анодированием, обычно бывают при малых напряженностях электрического поля хорошими изоляторами с большим удельным сопротивлением. Если повышать напряжение, приложенное к заключенной между двумя электродами пленке окисла, то при некотором напряжении возникает явление «формовки», благодаря чему ток сквозь систему возрастает на несколько порядков. При дальнейшем повышении напряжения на вольтамперной характеристике появляется участок отрицательного сопротивления N-типа, сохраняющийся как при повышении, так и при понижении напряжения (рис.1). После ряда циклов повышения и снижения напряжения нестабильная вначале вольтамперная характеристика становится гораздо стабильнее.
Первым характеристики N-типа наблюдал Хикмотт [4] который всесторонне исследовал это явление на анодированных пленках окислов. Характеристики N-типа наблюдались и изучались и другими исследователями. Главные отличительные особенности этого явления состоят в следующем:

1. Отрицательное сопротивление N-типа наблюдалось на «формованных» пленках SiO, А12O3, Та2O5, ZrO2 и ТiO2 при напряжениях соответственно 3,1, 2,9, 2,2, 2,1 и 1,7 В. Этот же эффект был обнаружен и в напыленных пленках окислов и галогенидов щелочных металлов. В некоторых случаях при дальнейшем повышении напряжения после прохождения первого участка отрицательного сопротивления бывает еще несколько таких участков.

2. Напряжение, соответствующее максимуму тока, обратно пропорционально √ε в интервале толщин 100—2000Å оно не зависит от толщины пленок, т. е. от напряженности электрического поля в пленке.

З. Полярность «формованных» пленок можно симметрично обратить (изменить на противоположную) переменой полярности смещения. Для пленок, нанесенных испарением в вакууме, напряжение формовки обычно выше, чем для анодированных пленок.

4. Напряжение, При котором возникает участок отрицательного сопротивления, не зависит от температуры, хотя при достаточно низких температурах этот участок исчезает совсем. Быстрое охлаждение позволяет получить эффект временной памяти.

5. На частотах свыше 60 Гц для анодированных пленок и
1 кГц для напыленных характеристики N-типа не наблюдаются.

6. На участке отрицательного сопротивления и за ним наблюдается эмиссия электронов в вакуум и электролюминесценция.

На рис.5 построены типичные вольтамперные характеристики системы АI-Аl2O3-Аu с участками отрицательного сопротивления при различных температурах. Здесь же приведены данные об изменении эмиссионного тока и коэффициента прохождения (т. е. отношения тока эмиссии в вакуум к току сквозь диэлектрическую пленку) в зависимости от приложенного к системе напряжения.

Рисунок5. Изменение плотности туннельного тока Js, плотности тока эмиссии в вакуум Je и коэффициента прохождения α в зависимости от напряжения, приложенного к системе Al-Al2O3-Au c отрицательным сопротивлением N-типа.

Изложенные наблюдения позволяют предположить, что процесс формовки заключается в образовании у катода (в пределах нескольких ангстрем) положительного пространственного заряда благодаря ионам. Этот заряд, создавая сильное электрическое поле у катода, снижает потенциальный барьер на границе металла с диэлектриком, увеличивая тем самым проводимость и усиливая эмиссию электронов сквозь верхний электрод в вакуум. Если из катода в пленку поступает достаточно много электронов, то становится возможной интенсивная рекомбинация, сопровождающаяся испусканием света и уменьшением проводимости. При дальнейшем повышении приложенного напряжения проводимость способна снова возрасти вследствие ионизации горячими электронами. Подобное объяснение не согласуется, однако, с данными Хикмотта [4], изучавшего распределение потенциала в пленочном триоде (АI—SiО—А1—SiО—Аu). Согласно полученным данным, с появлением участка отрицательного сопротивления перепад приложенного напряжения приходится на тонкую (< 120 Å) область пленки диэлектрика. Эта область почти не смещается при изменении полярности поля, но может находиться в любом месте диэлектрической пленки. Хикмотт [4] предположил, что ионизация электрическим полем примесей, которые входят в примесную зону, расположенную между валентной зоной и зоной проводимости, увеличивает проводимость в той части акцепторной области, где поле велико. При дальнейшем повышении напряженности электрического поля начинает действовать противодействующий процесс рекомбинации на акцепторных уровнях, который опять уменьшает проводимость и который может сопровождаться испусканием рекомбинационного излучения. Это объясняет наблюдавшуюся электролюминесценцию. Неясно, однако, почему одновременно усиливается и эмиссия электронов в вакуум, хотя подобное усиление можно было бы объяснить туннелированием носителей, образовавшихся благодаря ионизации электрическим полем по примесным уровням. Этим же можно объяснить эмиссию электронов малой энергии в вакуум сквозь довольно толстые пленки диэлектриков.

Асимметричные вольтамперные характеристики N-типа с выпрямлением наблюдались на монокристаллах полиэтилена толщиной 100 Å, находящихся между медной подложкой и платиновыми остриями. Ван-Рогген [5] объяснил такое выпрямление двойной инжекцией, но каких-либо данных в поддержку этой гипотезы не привел.