автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Элементы функциональной электроники на основе суперионных проводников

ОС..

(X

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени А.Н. ТУПОЛЕВА

УДК. 621.315:541:135 На правах рукописи

КАРАМОВ ФИДУС АХМАДИЕВИЧ

ЭЛЕМЕНТЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ СУПЕРИОННЫХ ПРОВОДНИКОВ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

д.т.н., профессор Насыров И.К.

Казань - 1997

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ................................... 6

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................ 8

I. СУПЕРИОННЫЕ ПРОВОДНИКИ. СТРОЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА........................................................ 11

1.1. Виды суперионных проводников..................................................... 11

1.2. Суперионные проводники постоянного состава............................. 17

1.3. Свойства суперионных проводников переменного состава -ионно-электронных проводников............................................................... 19

1.4. Метод эквивалентных схем при изучении релаксационных процессов на границе раздела электрод-суперионный проводник................. 24

1.5. Импеданс гетероструктур на основе суперионных проводников... 26

1.6. Физико-химические эффекты в суперионных проводниках и структурах на их основе и перспективы их практического использования.................................................................................. 28

Выводы..................................................................................................... 32

И. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СУПЕРИОННЫХ ПРОВОДНИКОВ, ИОННО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОВОДНИКОВ И ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕ.................................................................. 33

2.1. Методика измерений в структурах с суперионными проводниками в реяшме постоянного тока................................................................ 34

2.2. Методика измерений в режиме переменного тока в структурах с ионной и электронной проводимостью........................................... 36

2.3. Методы измерения импеданса гетероструктур на основе суперионных проводников в инфранизкочастотном диапазоне................... 39

2.3.1. Функциональная электрическая схема экспериментальной установки для измерений параметров импеданса ИНЧ диапазона............................................................................................. 41

2.3.2. Основные расчетные соотношения при измерении параметров импеданса............................................................................... 45

2.3.3. Оценка погрешностей измерений.................. ........................ 46

2.4. Измерительная система для импедансных исследований ИНЧ диапазона.................................................................................................... 49

2.5. Технологические методы получения тонкопленочных образцов суперионных проводников.................................................................. 52

2.5.1. Методы вакуумного напыления............................................ 52

2.5.2. Химический способ получения пленок суперионных проводников....................................................................................... 54

2.5.3. Методы толстопленочной технологии.................................. 54

о о

Выводы..................................................................................................... 55

III. СВОЙСТВА ОБРАТИМЫХ И ПОЛЯРИЗУЕМЫХ ГЕТЕРО-СТРУКТУР НА ОСНОВЕ СУПЕРИОННЫХ ПРОВОДНИКОВ И ИОННО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОВОДНИКОВ............................... 57

3.1. Методологические проблемы выбора электродной системы для им-педансных исследований..................................................................................................................................57

3.2. Свойства обратимой границы раздела ..................................................58

3.3. Основные свойства электрохимически осажденного серебряного слоя в контакте с суперионным проводником КЬА^з..................................62

3.4. Импеданс гетероструктур А§/а,Р - А§1........................................................................................66

3.5. Импеданс обратимой гетероструктуры М^Те/ЯЬАвДз^ТеМ............................................................................................................................69

3.6. Параметры импеданса поляризуемой гетероструктуры Р^ЬА^з....................................................................................................................................................................................72

3.7. Экспериментальные исследования гетероструктуры Аи/КЪА^А^....................................................................................81

3.8. Измерения импеданса гетероструктур №, Т1 /Ш)А^15/А§.............. 83

Выводы..................................................................................................... 88

IV. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ СУПЕРИОННЫХ ПРОВОДНИКОВ..... 93

4.1.Синтез математических и электрических моделей гетероструктур с дробно-степенными частотными зависимостями модуля импеданса от частоты - СРАЕ.............................................................................. 93

4.2. Представление функции комплексного переменного вида Ба с произвольным дробным показателем степени а в виде дробно-рациональной функции...................................................................... 95

4.3. Математические и электрические модели гетеропереходов металл -суперионный проводник по каноническим формам Фостера, полученные по реализации аппроксимирующей функции с дробным показателем степени........................................................................... 98

4.4. Основные расчетные соотношения для эквивалентных схем по Фос-теру 1-го и 2-го рода....................................................................... 102

4.5. Термодинамические соотношения для определения приращения заряда поляризуемого электрода...................................................... 113

4.6. Адсорбционные процессы на неоднородной поверхности электрода, находящейся в контакте с суперионным проводником................ 115

4.7. Зависимость полной адсорбционной емкости поляризуемого электрода от потенциала....................................................................... 117

4.8. Геометрические модели электродов для объяснения ГРЕБ поведения зависимости импеданса.................................................................. 120

4.8.1. Постановка задачи................................................................................................................................121

4.8.2. Модель фрактальной геометрии при описании СРАЕ -поведения импеданса гетероструктур..................................................................122

4.9. Электрические модели обратимой и поляризуемой границ раздела с суперионным проводником в области низких и инфранизких

частот............................................................................................................................................................................................126

Выводы......................................................................................................................................................................................................143

V. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ СУПЕРИОННЫХ ПРОВОДНИКОВ ПОСТОЯННОГО СОСТАВА.... 144

5.1. Методы построения резистивно-емкостных структур с распределенными параметрами................................................................... 144

5.2. Передаточные функции RC-структур с распределенными параметрами................................................................................................. 145

5.2.1. Частотные характеристики в области высоких частот....... 145

5.2.2. Анализ влияния объемного сопротивления суперионного проводника на частотные характеристики.......................... 150

5.2.3. Частотные характеристики RC-структур в области ИНЧ частот.................................................................................... 156

5.3. Двухэлектродные резистивно-емкостные структуры с сосредоточенными параметрами на основе суперионных проводников постоянного состава........................................................................... 157

5.4. Резистивно-емкостные структуры с распределенными параметрами. Резистивный слой - тонкая пленка электродного материала....... 161

5.5. Резистивно-емкостные структуры с распределенными параметрами. Резистивный слой - тонкая пленка суперионного проводника.... 166

5.6. RC-структура с распределенными параметрами с электрически измеряемой величиной сопротивления резистивного слоя............. 170

5.7. Управляемая RC-структура с неоднородно распределенными параметрами........................................................................................... 171

5.8. Триод на основе суперионного проводника постоянного состава RbAg4l5............................................................................................ 174

5.9. Индикаторный элемент на основе суперионного проводника RbAg4l5............................................................................................ 178

5.10. Элементы, реализующие операции дробного дифференцирования и интегрирования на основе СРАЕ модели гетероструктур........... 179

Выводы................................................................................................... 185

VI. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ СУПЕРИОННЫХ ПРОВОДНИКОВ ПЕРЕМЕННОГО СОСТАВА.... 186

6.1. Управляемые резистивные элементы на основе ионно-электронных проводников переменного состава................................................ 186

6.2. Управляемые резистивно-емкостные структуры с электрически перестраиваемой величиной сопротивления резистивного слоя..... 189

6.3. Экспериментальные исследования гетеропереходов на основе суперионных проводников и кремния.............................................. 192

6.4. Полупроводниковый элемент с управляемыми нелинейными вольт-амперными характеристиками. Принцип создания...................... 194

6.5.Полупроводниковый элемент с управляемыми нелинейными вольт-амперными характеристиками. Конструктивное решение.......... 197

Выводы................................................................................................... 199

VII. ИНФРАНИЗКОЧАСТОТНЫЕ ВРЕМЯЗАДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ СУПЕРИОННЫХ ПРОВОДНИКОВ................................................................................................. 202

7.1. Устройство интегратора дискретного действия.на снове суперионно-

го проводника................................................................................. 202

7.2. Характеристики интегратора дискретного действия..................... 204

7.3. Устройство считывания информации с электрохимических интеграторов................................................................................................ 210

7.4. Генератор низкочастотных и инфранизкочастотных сигналов на основе интеграторов дискретного действия................................. 214

7.5. Устройство запоминания временного интервала.......................... 218

7.6. Времязадающее устройство с программируемым циклом работы 224 Выводы................................................................................................... 229

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................... 231

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................ 234

ПРИЛОЖЕНИЯ

268

Принятые обозначения и сокращения

С - концентрация носителей заряда

АС - отклонение концентрации от равновесного значения

Са -адсорбционная емкость

£> - коэффициент диффузии частиц

е - электрон, заряд электрона

Есм - постоянное напряжение смещения поляризуемого электрода

/ - частота переменного сигнала

Т7 - постоянная Фарадея

Са - свободная энергия адсорбции

К( со) -амплитудно-частотная характеристика

(р(т) - фазо-частотная характеристика

со - угловая частота сигнала

п - число электронов, участвующих в элементарном акте адсорбции

<2 - полный заряд электрода

Оо - начальный заряд электрода

{1а - адсорбционный заряд электрода

ЛQ - приращение заряда

Я - универсальная газовая постоянная

Ка- адсорбционное сопротивление

и - число переноса носителей заряда г

и - дрейфовая подвижность частиц

Ш - электрическое напряжение в системе /

VI - поток носителей заряда /

У (¡со) - адмитанс системы

2(1со) - импеданс системы

Г - количество адсорбированного вещества

Г - количество адсорбированного вещества при насыщении поверхности электрода

в - степень заполнения поверхности электрода адсорбированным веществом

¡л - химический потенциал вещества

Jia - электрохимический потенциал частиц в адсорбированном состоянии

jus - электрохимический потенциал частиц в объеме

ç) - потенциал электрода

та - постоянная времени адсорбции

ОУ - операционный усилитель

СП - суперионный проводник

CPA - constant phase angle

СРАЕ - constant phase angle element

ТЭЛ - твердый электролит

FPFD - fractional power frequency dependence

Введение

Решение проблем комплексной миниатюризации электронной аппаратуры, создание новых видов микросхем, преобразователей информации, повышение их функциональной плотности и степени интеграции, улучшение эксплуатационных параметров и надёжности имеет важное значение для научно-технического прогресса в электронике. Развитие микроэлектроники базируется на достижениях в области фундаментальных и прикладных наук, использовании новых физических принципов и явлений, новых материалов для создания электронных устройств преобразования, хранения и отображения цифровой и аналоговой информации.

При построении элементов и устройств обработки аналоговой информации в области низких и сверхнизких частот, несмотря на многообразие методов реализации и элементной базы, возникают принципиальные трудности их миниатюризации. Это связано прежде всего с трудностями реализации инерционных, накопительных элементов с сосредоточенными и распределенными параметрами. Важной задачей является построение микроэлектронных адаптивных элементов и устройств с расширенными функциональными возможностями, способных изменять параметры и сохранять их в течении требуемого времени до подачи очередного сигнала управления.

Несомненный интерес для электроники и микроэлектроники в этом плане представляют открытые и синтезированные в последние годы твёрдые кристаллические вещества с высокой ионной проводимостью - суперионные проводники и ионно-электронные проводники нсстехиометрического состава. Суперионные проводники - это твёрдые тела с определённой кристаллической структурой, обладающие рядом уникальных свойств, главное из которых - высокая ионная или смешанная ионно-электронная проводимость, достигающая 0,20,5 Ом"1 см"1 при комнатных температурах.

Высокая проводимость суперионных проводников обусловлена тем, что они имеют специфические кристаллические решетки, в которых ионы какого-либо типа разупорядочены в пределах кристаллографических каналов, образующих одно-, двух- или трёхмерные сетки. Эти ионы имеют высокую подвижность, то есть сравнительно легко могут перемещаться по каналам проводимости. Открытие этого нового класса твердых тел создало предпосылки для их применения в приборостроении, радиоэлектронике и технике в сочетании с традиционными материалами твердотельной электроники - полупроводниками, металлами и диэлектриками.

Сегодня внимание, которое уделяется этим веществам во всем мире, велико. Практически ежегодно проводятся международные конгрессы и симпозиумы - в США, Японии, Германии, Франции, Канаде и других странах. Одна из последних конференций - Solid State Ionics проходила в декабре 1995 года в Сингапуре, где были представлены доклады более чем из 20-ти стран мира. Ежегодно выходят монографии по данной тематике. Издается в Голландии Международный журнал Solid State Ionics.

При построении элементов, преобразователей информации на основе суперионных проводников могут использоваться как объёмные свойства, так и свойства границы раздела электрод - суперионный проводник. Для объёма характерны: миграция основных и неосновных носителей заряда, диффузия, изменение объёмной концентрации носителей заряда и изменение электронной проводимости. На границе проявляются эффекты: электроосаждение, электрорастворение, накопление носителей заряда с образованием двойного электрического слоя. В настоящее время в основном исследованы гетероструктуры на основе суперионных проводников с линейными вольтамперными характеристиками в области частот от 102 до 106 Гц. Не исследованы возможности создания и свойства гетероструктур на основе тонкоплёночных образцов суперионных проводников и кремния - основного материала современной микроэлектроники. Поэтому, актуально развитие исследований процессов переноса заряда в объеме суперионных проводников и на границах раздела, особенно в области частот ниже 103Гц, поиск и исследование новых веществ, явлений и принципов повышения функциональной плотности радиоэлектронных устройств. Предварительные результаты показывают перспективность суперионных проводников и веществ с ионно-электронной проводимостью для создания элементов и устройств, работающих в широком диапазоне температур и конструктивно-технологически совместимых с традиционными материалами, используемыми при производстве интегральных схем.

Основной целью данной работы является разработка научных основ и создание элементов и устройств функциональной электроники низкочастотного и сверхнизкочастотного диапазона на основе тонкопленочных образцов суперионных проводников.

Научно-технические задачи, которые необходимо было решить при выполнении данной работы, заключались в следующем:

Исследование основных физико-химических, электрических свойств и особенностей суперионных проводников.

Разработка методов создания и аппаратуры для экспериментальных исследований гетероструктур элементов электроники в области низких и сверхнизких частот.

Синтез математических и электрических моделей элементов электроники и гетероструктур на основе суперионных проводников.

Разработка конструктивно-технологических методов создания, реализация и исследование элементов электроники на основе тонкопленочных образцов суперионных проводников постоянного и переменного состава.

Разработка методов создания, экспериментальные исследования элементов функциональной электроники с электронной перестройкой характеристик с использованием суперионных проводников нестехио-метрического состава.

Создание и исследование времязадающих, интегрирующих элементов и устройств н�