Характеристики S-типа с отрицательным сопротивлением

При исследовании систем металл—диэлектрик—металл на основе пленок (50—500 Å) окислов Nb, Та и Тi, полученных термическим окислением или анодированием, а также пленок CdS толщиной около 1000 Å Чопра [3] наблюдал процесс "формовки", который происходил не при определенном напряжении, как в случае характеристик N-типа, а при достижении определенной плотности тока. Если напряжение, приложенное к выпрямляющей системе Nb-окись Nb-Аu в запорном направлении, повышать до тех пор, пока плотность тока не достигнет величины около 1 мА/см², то первоначально выпрямляющая вольтамперная характеристика (рис.6,а) изменяется так, что в запорном направлении на ней образуется участок отрицательного сопротивления S-типа (рис.6,6). Если же плотность тока увеличивать и дальше вплоть до 100 мА/см², то вольтамперная характеристика необратимо превратится из выпрямляющей в симметричную (без выпрямления, рис.6,в). В этом случае ток с повышением напряжения резко возрастает, причем для обеих полярностей напряжения наблюдаются одинаковые S-характеристики (рис.6,г). Процесс необратимого изменения характеристик часто идет столь быстро, что характеристики первого вида сразу переходят в характеристики последнего вида.

Рисунок 6. Вольтамперные характеристики системы Nb-Nb2O5(200Å)-Au на частоте 60 Гц. а- до формовки; б- небольшая формовка привела к появлению области отрицательного сопротивления S- типа в запорном направлении; в- характеристика необратимо изменилась и стала симметричной; г- симметричная характеристика с отрицательным сопротивлением S- типа.

Характеристики S-типа наблюдались и другими исследователями. Неясно, чем же объясняется возникновение характеристик S- и N-типов в одинаковых пленочных системах, хотя одновременно они никогда не проявляются. На системах с окисью ниобия чаще наблюдаются характеристики S-типа. Основные характерные черты проявления отрицательного сопротивления S-типа заключаются в следующем:

1. Процесс формовки S-характеристик необратим. В большинстве случаев возникающие при этом характеристики симметричны.

2. напряжение, которое необходимо для поддержания отрицательного сопротивления, не зависит ни от природы электродов, ни от площади и толщины пленки окисла. Для пленок окислов Тi, Nb и Та оно составляет соответственно 0,4, 1,3 и 3,5 в.
Пропорциональность этого напряжения 1/√ε дает основания думать, что большую роль в этом явлении играют процессы ионизации примесей или ловушек.

3. В некоторых образцах наблюдается гистерезис вольтамперных характеристик, сопровождаемый иногда появлением нескольких участков отрицательного сопротивления S-типа.

4. Время релаксации, определенное по частоте самоподдерживающихся колебаний (>60 МГц), оказывается довольно малой величиной, что говорит об электронной природе этого эффекта. Этот вывод согласуется с очень слабой температурной зависимостью области отрицательного сопротивления S-типа, которая простирается вплоть до 77º К.

5.освещение образцов увеличивает ток, но не меняет величины напряжения необходимого для поддержания системы в состоянии с высокой проводимостью.

6. Вслед за областью отрицательного сопротивления вольтамперная характеристика описывается степенным законом J~Vⁿ с большим n.

Возникновение области отрицательного сопротивления S-типа качественно можно представить следующим образом: с повышением приложенного напряжения эффективная толщина диэлектрика уменьшается (как об этом говорят результаты измерения емкости пленочной системы), пока не наступит переход к области отрицательного сопротивления S-типа (так же как и случае характеристик N-типа). При этом весь перепад приложенного напряжения приходится, по-видимому, на тонкий (<50 Å) критический участок диэлектрика. Поэтому электроны приобретают большую скорость, и вблизи такого участка начинается нарастающая ионизация ловушек и примесей. Поскольку длина поглощения горячих электронов в диэлектрике по порядку величины близка к атомным размерам, вполне возможна лавинная ионизация. Процесс ионизации начинается при некоторой минимальной плотности тока, но как только ионизация началась, напряжение, необходимое для поддержания этого процесса, становится меньше. Подобное объяснение аналогично трактовке Гана, выдвинутой им, чтобы объяснить природу отрицательного сопротивления S-типа в точечных гетеропереходах германия и кремния. Однако можно привести и иное объяснение, так как следующее за областью отрицательного сопротивления заметное нарастание тока можно увязать с целым рядом механизмов инжекции, чувствительных к электрическому полю. И все же ясно, что механизм явно определяется природой самого диэлектрика, а не электродов. В некоторых пленках, обладающих характеристиками S-типа,
обнаружены также явления памяти и переключения с двумя
устойчивыми состояниями. Эти эффекты наблюдались как в поликристаллических (CdS, Si, GaAs), так и в аморфных (Nb2O5, NiO, TiO) пленках материалов с широкой запрещенной зоной.