СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2015 При расчёте не учитывался фактор, связанный с энергией ионизации атомов в кристаллических решётках Si и GaAs. Энергия ионизации атома кремния (по водороду) составляет 8,15 эВ, у германия – 7,88 эВ, прибли- зительно этого же порядка и у атомов Ga и As. Снижение энергии иониза- ции у более тяжёлых атомных эле- ментов связано с увеличением плот- ности электронов на орбитах вокруг атомного ядра (Si – 3S 2 3P 2 ; Ga – 4S 2 4P 1 ; Ge – 4S 2 4P 2 ; As – 4S 2 4P 3 ), что, в прин- ципе, хорошо коррелируется с зави- симостью числа генерируемых элек- тронов от энергии изотопного элек- трона. Но при этом не нужно путать энергию образования пары по Френ- келю и энергию ионизации собствен- ного атома. Это разные вещи. Следовательно, если считать эффек- тивность генерации электронов по кремнию изотопными электронами, то повышающий коэффициент гене- рации электронов составит ≈ 1,04 или ≈ 3–4%, что может служить поправ- кой в пользу GaAs. В начале статьи было подчёркнуто, что кремний – это полупроводник с ковалентной свя- зью, а GaAs – с ионной, а это значит, что на повышении эффективности генерации электронов в бета-вольта- ике на основе GaAs может также ска- заться и атомно-дипольная поляриза- ция молекулы GaAs, которая, кстати, и приводит к электронной генерации доменов Ганна. Этот фактор является пока только прогнозируемым, с учётом анизотропии кристалла. Упомянутая выше энергия ионизации, допустим, того же Si E и = 8,15 эВ – это не что иное как первичная ширина запрещённой зоны сверхчистого идеального атомар- ного (без всякой примеси и дефектов) кремния, реальную оптическуюшири- ну запрещённой зоны E g Si = 1,12 эВ все хорошо знают со школьной скамьи. Это говорит о том, что энергия опти- ческой запрещённой зоны на сегодня «висит» в энергопространстве, посколь- ку она не привязана к энергии ядра ато- ма. Бета-электроника неизбежно под- нимает этот вопрос, и здесь в расчётах принимается энергия ионизации ато- ма, которая, допустим, выше классиче- ской энергии оптической запрещённой зоны более чем в 5–7 раз! В процессе взаимодействия высокоэнергетиче- ского электрона с атомной решёткой полупроводника генерируется часть электронов с глубоких орбитальных уровней, которые имеют сверхма- лую эффективную массу m*, которая имеет неклассическое соотношение с массой связанного электрона в GaAs m*/m 0 ≈ 0,068 (а гораздо меньшую вели- чину и их подвижность может дости- гать в десятки тысяч см 2 /В × с). Вре- мя жизни таких сверхлёгких («сверх- глубинных», валентных) электронов имеет сверхмалые значения по срав- нению даже с очень малыми значе- ниями τ n в GaAs, составляющих десят- ки наносекунд. Таким образом, взгляд на традиционную оптическую реком- бинацию электронов также предстоит пересматривать, как, впрочем, и энер- гию излучения при торможении изо- топного электрона в полупроводни- ковой решётке (энергия торможе- ния), которую удобно использовать для генерации от терагерцового (суб- миллиметрового) диапазона, ближне- го/среднего/дальнего инфракрасно- го, оптического диапазонов, вплоть до X-рентгеновского диапазона (при- кладывая сильное электрическое поле к p-i-n GaAs образцу, тем самым регу- лируя тормозную энергию электрона в области пространственного заряда физического p–n-перехода). О ради- ационной стойкости в пользу LPE i-GaAs говорит и патент по созданию нейтронного датчика на основе LPE i-GaAs сотрудниками МИСИС, г. Москва (RU 2532647, авторы Бритвич Г.И., Кольцов Г.И. и другие), выдерживаю- щего огромный флюенс импульсного нейтронного облучения. На основаниинашихпоследних дости- жений по пассивации LPE p-i-n GaAs высоковольтных переходов (1,0 мкА, +300 ° С, сотни вольт при площади чипа 1,7 × 1,7 мм 2 ) мы планируем резко улуч- шить характеристикинейтронных дат- чиков, сверхчувствительность как обрат- ного смещённого, так и прямосмещён- ного действия, а это не что иное, как тоже бета-, а точнее, протоно-вольтаи- ка. Совершенно очевидно, чтонаши тех- нологиибудут более приемлемыдля обе- спечения безопасности АЭС. Подводя итог приведённой инфор- мации по достигнутому уровню каче- ства пассивации p-i-n GaAs переходов, можно с исключительным оптимизмом констатировать, что на рынке появится новейшее поколение электронных при- боров, то есть новая электронная инду- стрия на основе монокристаллов LPE i-GaAs. Это абсолютно новая электро- ника, отличающаяся тем, что она будет работоспособна при температурах кри- сталла GaAs вплоть до 320–350 ° С и будет отличаться исключительной радиаци- онной стойкостью, гиперскоростью. На основе кристаллов LPE i-GaAs мож- но создать все известные физические прототипы полупроводниковых при- боров, созданные на основе кремния, карбида кремния, полуизолятора арсе- нида галлия, нитрида галлия и других, вместе взятых. Впереди феноменаль- ные разработки и серийный выпуск силовой электроники, СВЧ и, с учётом бета-электроники, терагерцовой элек- троники, инфракрасной, оптической/ световой, ультрафиолетовой и рентге- новской электроники, то есть во всём диапазоне частот от 10 0 до 10 17 Гц. На основе данного кристалла прорабаты- ваются модели высоковольтных тера- герцовых генераторов субмиллиметро- вого диапазона на новых принципах модуляции Максвелловской анизотро- пии скорости распространения элек- тромагнитных волн. Кристаллы LPE i-GaAs, наряду с чис- тым кристаллическим алмазом (Dia- mond), имеют собственную концен- трацию электронов < 2 × 10 6 см -3 , то есть это чистые диэлектрики. Про- водимость GaAs кристаллов хоро- шо модулируется от сопротивлений выше, чем 10 9 Ом × см до металличе- ской ( ρ < 10 -5 Ом × см), то есть монокри- сталлы LPE i-GaAs и алмаза нарушают общепринятое классическое деление твёрдых тел по проводимости на диэ- лектрики, полупроводники, проводни- ки. Более того, в работе «Новая экстре- мальная электроника на основе LPE i-GaAs монокристаллов» [6] показано, что при безрассеянном пролёте элек- тронов в GaAs на расстояниях меньше 4,5 нм данный кристалл является иде- альным проводником, у которого поч- ти нет электрического сопротивления и, более того, при попадании одного электрона 147 Pm в наноплощадку GaAs размером 4,5 × 4,5 нм мы, очевидно, будем наблюдать явление комнатной сверхпроводимости, поскольку кон- центрация генерируемых электронов от радиационного электрона может превысить количество атомных ядер в данном объёме. Смысл подлинной наноэлектроники (10–1,0 нм) заключается в приближе- нии к размерам постоянной кристал- лической решётки, к примеру, кремния, германия, арсенида галлия (в пределах 0,54–0,56 нм). Приближение к техно- логической субнаноразмерности – это ключ к сверхэнергии (сверхчастоте) – E = h ν , а та нация, которая владеет этой © СТА-ПРЕСС