Синтез і дослідження оксидно-ідієвої кераміки з неомічною провідністю (стр. 3 из 4)
Рис.3.3. Залежність струму від часу при фіксованих значеннях напруги, подаваємої на зразок в такій послідовності, В: 1-1; 2-5; 3-10; 4-15; 5-25; 6-15; 7-10; 8-5; 9-1
Характер часової залежності струму, представленій на рис.3.3 (криві 1-5) взаємозгоджується з часовою залежністю струму, що знаходиться на рис.3.2 (крива 1). Встановлені значення струму, отримані на рис.3.3 (криві 1-5), використані для побудови ВАХ на рис.3.2 (крива 3). Як видно, форма ВАХ, отримана по встановленим значенням струму (рис.3.2, крива 3), задовільно співпадає з формою ВАХ, отриманій при короткочасній (30с.) витримці зразку при кожному значенні напруги (рис.3.2, крива 1).
Таким чином, встановлено, що для досліджуваних зразків кераміки характерна аномалія електропровідності у вигляді частини обмеженого струму і навіть частини спаду струму з напругою.
При зменшенні напруги струм з часом зростає при напругах в діапазоні 15-5 В (рис.3.3, криві 6-8) і знижується при малих напругах (рис.3, крива 9). Відповідна ВАХ, побудована по встановленим значенням струму (крива 4 на рис.3.2), задовільно співпадає з кривою 3 на рис.3.2.
Такий характер часової залежності струму зберігається, якщо напругу на зразок подавати в послідовності: 25В, 15В, 10В, 5В, 1В с достатнім (10 хв.) інтервалом між вимірюваннями. При цьому струм знижується з часом при U=25B, але наростає з часом при подачі напруги від 15 до 5 В і слабо знижується при U=1В. Як наслідок, властивості зразку залежать від його електричної передісторії, що може бути зв’язано зі зміною заповнення локалізованих станів при достатньо великих напругах і збереженням такої ситуації при зниженні напруги до нуля. При послідуючій подачі на зразок меншої напруги виникає поступова релаксація струму.
Після вивчення часової залежності струму (рис.3.3) знову була знята ВАХ в режимі короткочасної фіксації напруги (рис.3.2, криві 5 і 6). Як видно, ВАХ до (криві 1 і 2 на рис.3.2) і після (криві 5 і 6 на рис.3.2) відносно довготривалої дії напруги задовільно співпадають.
Частина обмеження і зниження струму якісно повторюється для інших зразків. Встановлено також, що форма ВАХ чутлива до матеріалу електроду і способу його створення. Тому спостережені результати, ймовірно, обумовлені проявом приелектродних потенційних бар’єрів, один з яких, включений в запірному напрямі, і контролює струм через зразок.
ВАХ зразків на основі In2O3 с додаванням оксиду вісмуту (рис.3.1) і оксиду стронцію (рис.3.2) відрізняються, на перший погляд, дуже суттєво. Однак обом зразкам характерна спільна особливість – при підвищенні напруги вище деякої порогової величини Uпор (слабо вираженої на рис.3.1 і більш чітко вираженій на рис.3.2 (Uпор@10В)) зростання струму з напругою суттєво уповільнюється (рис.3.1) або навіть змінюється спадом струму з напругою (рис.3.2). Таким чином для структур на основі оксидно-індієвої кераміки незалежно від використаної добавки і типу електродів характерна поява при досягненні деякого електричного поля процесів, відповідальних за обмеження струму. Саме розуміння цього механізму представляє основну цікавість. Цей механізм, працює на фоні ряду інших процесів, які визначають електропровідність досліджуваних структур, і призводить до варіабельності їх ВАХ в залежності від деталей технологічного процесу.
Механізм обмеження струму в досліджуваних структурах зв’язаний з формуванням при їх виготовленні приелектродних областей підвищенного опору, тобто з появою відповідних потенційних бар’єрів. При цьому особливістю такого потенційного бар’єру на контакті являється прояв при деякій напрузі процесів захоплення основних носіїв заряду (електронів), що викликає зростання висоти бар’єру і обмеження зростання струму з напругою [5]. Імовірно, така особливість приелектродного бар’єру визначається природою кераміки на основі In2O3.
Пороговий характер механізму обмеження струму можна пояснити, наприклад, тим, що захоплення носіїв (і відповідаючи гальмування падіння висоти бар’єру) проявляється, коли висота бар’єру опиняється в достатній мірі зменшується під дією прикладеної напруги. Бар’єр веде себе як бар’єр біля центру з екранованим кулонівським потенціалом. Можна вважати, що з врахуванням сил зображення форма бар’єру на контакті відмінна від параболічної. В результаті впливу ефекту Шотткі висота бар’єру зі зростом напруги зижується і при невеликих напругах з’являється надлінійний зріст струму з напругою (рис.3.2). Коли висота бар’єру стане достатньо малою (а струм через бар’єр опиниться достатньо великим), захоплення електронів на стані контакту стає суттєвим. Це визначає тенденцію збільшення висоти бар’єру. В результаті чого зріст струму з напругою уповільнюється і спостерігається частина обмеження струму. Однак такий механізм декілька по-різному проявляється для двох типів досліджуваних структур, ВАХ яких представлені на рис.3.1 і 3.2.
Для структур на основі In2O3-Bi2O3 (рис.3.1) характерний слабкий ріст струму до вельми великих падінь напруг на зразку. Вірогідно в цьому випадку частина напруги падає також на об’ємі кераміки. Добавка Bi2O3 в цьому випадку, як і в випадку кераміки ZnO [4], може стимулювати формування потенційних бар’єрів на багато численних ГЗ оксиду Індія. Більш того, на границях зерен може виникати захват електронів і відповідне зростання висот бар’єрів. Це і пояснює досить великий опір таких зразків.
Для структур на основі In2O3-SrO (рис.3.2) порогові напруги невеликі (одиниці вольт), струм обмежується і спостерігається частина з від’ємною диференційною провідністю (ВДП). Подібна особливість ВАХ спостерігалась для структур на основі кераміки BaTiO3. Механізм ВДП, оснований на виникаючому при збільшенні напруги взаємному зміщенні по енергії заповнених і порожніх станів, розміщених по різні сторони геометричної границі зерен, в нашому випадку представляється малоймовірним.
Для здійснення ефекту ВДП (рис.3.2) можна спробувати використати представлення про формування домену сильного електричного поля [7].При такому підході враховується створення приелектродних областей просторового заряду. Тому при розробці механізму появи статичного домену сильного поля можуть бути корисними розглянуті вище якісні представлення про бар’єр з захопленням. Однак, не слід поки виключати можливості безпосереднього пояснення ефекту ВДП в моделі бар’єру з захопленням враховуючи деяких доповнюючи факторів, наприклад, падіння напруги в об’ємі, особливості електронної будови бар’єру, просторової локалізації захопленого від’ємного заряду та ін..
Таким чином, ефект обмеження струму в структурах на основі кераміки In2O3-Bi2O3 і In2O3-SrO обумовлений захопленням електронів на стани контакту або в області просторового заряду.
4. Обмеження та осциляції струму в напівпровідниковій кераміці
In2O3-Bi2O3
Оксидно-індієва кераміка з певними домішками має сублінійну вольт-амперну характеристику (ВАХ), на якій із збільшенням напруги зростання струму сповільнюється і спостерігається ділянка обмеження струму [1-3]. Для оксидно-індієвої кераміки з домішкою оксиду вісмуту ефект обмеження струму супроводжується пульсаціями струму, з частотою » 0,2-2 Гц, що виникають при постійній напрузі на зразку [4]. В роботі розглянуто електричні властивості кераміки системи In2O3-Bi2O3.
Ефект низькочастотних коливань при постійній напрузі на зразку має місце незалежно від матеріалу електродів та вмісту добавки Bi2O3 (у дослідженому діапазоні кількість добавки впливає лише на величину граничної напруги, з якої починається обмеження струму). На рис.4.1 наведено приклади ВАХ зразків кераміки системи In2O3-Bi2O3 із різними електродами. Як видно з рисунка, ефект обмеження струму має місце для усіх наведених типів електродів. В області напруг, де є обмеження струму (на рис.1 це U>100 В) ВАХ побудовано за середнім значенням величини струму, крім ВАХ, представлених кривими 5 і 6.
ВАХ зразків кераміки In2O3-Bi2O3 умовно можна розділити на три області (див. рис.4.1): 1 - область, де виконується закон Ома, 2 - область появи ефекту обмеження струму й виникнення коливань струму (приблизно від 60 до 110 В) і 3 - область, де постійний струм i амплітуда коливань струму з ростом напруги практично не змінюються.
Рис.4.1. ВАХ зразків кераміки In2O3-Bi2O3. 1 - область, де виконується закон Ома, 2 - область появи ефекту обмеження струму й виникнення коливань струму, 3 - область, де постійний струм i амплітуда коливань струму з ростом напруги практично не змінюються.
Для більш докладного дослідження коливань струму були зняті часові залежності струму I=I(t) для різних значень постійної напруги. Часові залежності було зареєстровано фотографуванням, з 10 секундною витримкою, екрана осцилографа, на якому відображався процес пульсації струму, при прикладанні до зразка постійної напруги. Кілька з них наведено на рис. 2.
Рис.4.2. часові залежності струму I=I(t) для різних значень постійної напруги зразків кераміки In2O3-Bi2O3
На залежностях струму від часу, знятих в області напруг, які відповідають ділянці 1 ВАХ, величина струму від часу не залежить і коливань не спостерігається, наприклад, часова залежність при 50 В (пряма лінія на рис.4.2). При прикладанні напруг, що відповідають ділянці 2 ВАХ, можна бачити процес появи коливань. Спочатку при досягненні порогової напруги виникають майже синусоїдальні коливання (синусоїда на рис. 4.2, відповідає напрузі 60 В). Потім із ростом напруги плавно зростає амплітуда коливань струму, з’являються синусоїдальні коливання з іншою частотою, як це видно з часових залежностей для 70 і 80 В на рис.4.2. Таким чином форма коливань змінюється від синусоїдального моногармонічного коливання (із частотою »1,75 Гц) до полігармонічного (i, можливо, навіть проявляється стохастичність коливального процесу), при цьому основна частота коливань зростає. Амплітуда коливань струму плавно зростає до 20 % від середньої величини струму. В області напруг, які відповідають ділянці 3 ВАХ, форма й частота коливань струму практично не змінюються з ростом напруги. Характерний вигляд коливань у цій області напруг демонструє часова залежність для 150 В (рис.4.2). Амплітуда ж коливань, проходячи через максимум при 200 В, із ростом напруги навіть дещо зменшується, як це видно з рис.4.3, де для кожної часової залежності було знайдено різниця між максимальною та мінімальною густиною струму.