danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"dan-419Research ArticleФИЗИКАPHYSICSПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД С ПРЫЖКОВОЙ МИГРАЦИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ ПО ТОЧЕЧНЫМ ДЕФЕКТАМ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЫSEMICONDUCTOR DIODE WITH HOPPING MIGRATION OF ELECTRONS VIA POINT DEFECTS OF CRYSTALLINE MATRIXПоклонскийН. А.PoklonskiN. A.

д-р физ.-мат. наук, профессор

D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor

poklonski@bsu.byКовалевА. И.KovalevA. I.

аспирант

Postgraduate student

kovalev.aleksand@gmail.comВыркоС. А.VyrkoS. A.

канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник

Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior researcher

vyrko@bsu.byВласовА. Т.VlassovA. T.

канд. физ.-мат. наук, доцент, вед. науч. сотрудник

Ph. D. (Physics and Mathematics), Assistant Professor, Leading researcher

vlassov_anatoli@mail.ruБелорусский государственный университетBelarusian State University2017150820176133037Copyright © Поклонский Н.А., Ковалев А.И., Вырко С.А., Власов А.Т., 20172017Поклонский Н.А., Ковалев А.И., Вырко С.А., Власов А.Т.Poklonski N.A., Kovalev A.I., Vyrko S.A., Vlassov A.T.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/419

Впервые рассматривается полупроводниковый p+n+-диод, полностью компенсированный точечными радиацион- ными дефектами (rt-дефектами) одного сорта в трех зарядовых состояниях(-1, 0, +1 в единицах элементарного заряда) на фоне кристаллической матрицы. Каждый rt-дефект вносит два уровня энергии в запрещенную энергетическую зону полупроводника. Такой диод, в котором отсутствуют и электроны в зоне проводимости, и дырки в валентной зоне, называется ζ-диодом. Перенос зарядов в ζ-диоде осуществляется только посредством прыжков электронов между rt-дефектами. В дрейфово-диффузионном приближении численно решена система нелинейных дифференциальных уравнений, описывающая прыжковую миграцию электронов по rt-дефектам. Рассчитаны распределение электрического потенциала и зарядовых состояний дефектов вдоль ζ-диода, а также его статическая вольт-амперная характеристика для температуры 78 К. Показана возможность выпрямления прыжкового тока в ζ-диоде на основе кристаллического кремния, частично разупорядоченного точечными радиационными дефектами. 

For the first time, a semiconductor p+n+-diode is considered, which is completely compensated with the point irradiationinduced defects (rt-defects) of one kind in three charge states (−1, 0, +1 in elementary charge units) on the background of the crystalline matrix. Each rt-defect introduces two energy levels into the semiconductor band gap. Such a diode, in which electrons in the conduction band and holes in the valence band are absent, is called a ζ-diode. The charge transport in the ζ-diode is performed by electron hopping via rt-defects only. In the drift-diffusion approximation, a system of nonlinear differential equations, which describes the hopping migration of electrons via rt-defects, is solved numerically. The distribution of the electric potential and the charge states along the ζ-diode, as well as its static current-voltage characteristics are calculated for a temperature of 78 K. The possibility of hopping current rectification in the ζ-diode based on crystalline silicon, partially disordered by the point irradiation-induced defects, is shown. 

радиационные многозарядные дефектыпрыжковая миграция электроновдрейфово-диффузионное приближениеполупроводниковый диодвольт-амперная характеристикаirradiation-induced multicharge defectshopping migration of electronsdrift-diffusion approximationsemiconductor diodecurrent-voltage characteristicsReferencesCoates, R. The optical and electrical effects of high concentrations of defects in irradiated crystalline gallium arsenide / R. Coates, E. W. J. Mitchell // Adv. Phys. – 1975. – Vol. 24, N 5. – P. 593–644. doi.org/10.1080/00018737500101471Coates R., Mitchell E. W. J. The optical and electrical effects of high concentrations of defects in irradiated crystalline gallium arsenide. Advances in Physics, 1975, vol. 24, no. 5, pp. 593–644. doi.org/10.1080/00018737500101471Козлов, В. А. Легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении протонами и α-частицами / В. А. Козлов, В. В. Козловский // Физика и техника полупроводников. – 2001. – Т. 35, № 7. – С. 769–795.Kozlov V. A., Kozlovski V. V. Doping of semiconductors using radiation defects produced by irradiation with protons and alpha particles. Semiconductors, 2001, vol. 35, no. 7, pp. 735–761. doi.org/10.1134/1.1385708Лебедев, А. А. Радиационная стойкость SiC и детекторы жестких излучений на его основе / А. А. Лебедев, A. М. Иванов, Н. Б. Строкан // Физика и техника полупроводников. – 2004. – Т. 38, № 2. – С. 129–150.Lebedev A. A., Ivanov A. M., Strokan N. B. Radiation resistance of SiC and nuclear-radiation detectors based on SiC films. Semiconductors, 2004, vol. 38, no. 2, pp. 125–147. doi.org/10.1134/1.1648363Брудный, В. Н. Зарядовая нейтральность в полупроводниках: дефекты, границы раздела, поверхность / В. Н. Брудный // Изв. вузов. Физика. – 2013. – Т. 56, № 7. – С. 27–29.Brudnyi V. N. Charge neutrality in semiconductors: defects, interfaces, surface. Russian Physics Journal, 2013, vol. 56, no. 7, pp. 754–756. doi.org/10.1007/s11182-013-0095-4Поклонский, Н. А. Дрейф и диффузия электронов по двухуровневым (трехзарядным) точечным дефектам в кристаллических полупроводниках / Н. А. Поклонский, А. И. Ковалев, С. А. Вырко // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2014. – Т. 58, № 3. – С. 37–43.Poklonski N. A., Kovalev A. I., Vyrko S. A. Drift and diffusion of electrons via two-level (triple-charged) point defects in crystalline semiconductors. Doklady Natsional’noi Akademii Nauk Belarusi [Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus], 2014, vol. 58, no. 3, pp. 37–43 (in Russian).Поклонский, Н. А. Прыжковая электропроводность в компенсированных полупроводниках и приборных структурах на их основе / Н. А. Поклонский // Междунар. зимняя школа по физике полупроводников 2011: науч. прогр. и тез. докл., С.-Петербург–Зеленогорск, 25–28 февр. 2011 г. – СПб., 2011. – С. 43–48.Poklonski N. A. Hopping electrical conduction in compensated semiconductors and device structures based on them. Nauchnaya programma i tezisy dokladov Mezhdunarodnoi zimnei shkoly po fizike poluprovodnikov 2011 [Proceedings of the International Winter School on Semiconductor Physics 2011]. Saint-Petersburg, 2011, pp. 43–48 (in Russian).Поклонский, Н. А. Расчет электрической емкости самокомпенсированных полупроводников с межцентровыми прыжками одного и двух электронов (на примере кремния с радиационными дефектами) / Н. А. Поклонский, С. А. Вырко, А. Г. Забродский // Физика и техника полупроводников. – 2008. – Т. 42, № 12. – С. 1420–1425.Poklonski N. A., Vyrko S. A., Zabrodskii A. G. Calculation of capacitance of self-compensated semiconductors with intercenter hops of one and two electrons (by the example of silicon with radiation defects). Semiconductors, 2008, vol. 42, no. 12, pp. 1388–1394. doi.org/10.1134/s1063782608120038Юдинцев, В. Радиационно стойкие интегральные схемы. Надежность в космосе и на Земле / В. Юдинцев // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2007. – № 5. – С. 72–77.Yudintsev V. Radiation hardened integrated circuits. Reliability in space an on Earth. Elektronika: Nauka, Tehnologija, Biznes [Electronics: Science, Technology, Business], 2007, no. 5, pp. 72–77 (in Russian).Korvink, J. G. Semiconductors for Micro- and Nanotechnology: An Introduction for Engineers / J. G. Korvink, A. Greiner. – Weinheim: Wiley, 2002. – 340 p. doi.org/10.1002/3527600221Korvink J. G., Greiner A. Semiconductors for Micro- and Nanotechnology: An Introduction for Engineers. Wiley, 2002. 340 p. doi.org/10.1002/3527600221Поклонский, Н. А. Стационарная прыжковая миграция биполяронов по «мягким» точечным дефектам в частично разупорядоченных полупроводниках / Н. А. Поклонский, С. А. Вырко, А. И. Ковалев // Весці НАН Беларусі. Сер. фіз.-мат. навук. – 2014. – № 3. – С. 91–96.Poklonski N. A., Vyrko S. A., Kovalev A. I. Stationary hopping migration of bipolarons via “soft” point defects in partly disordered semiconductors. Vestsі Natsyianal’nai akademіі navuk Belarusі. Seryia fіzіka-matematychnykh navuk [Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Series of Physical-Mathematical Sciences], 2014, no. 3, pp. 91–96 (in Russian).Поклонский, Н. А. Стационарная прыжковая фотопроводимость по многозарядным примесным атомам в кристаллах / Н. А. Поклонский, С. Ю. Лопатин // Физика твердого тела. – 1998. – Т. 40, № 10. – С. 1805–1809.Poklonskii N. A., Lopatin S. Yu. Stationary hopping photoconduction among multiply charged impurity atoms in crystals. Physics of the Solid State, 1998, vol. 40, no. 10, pp. 1636–1640. doi.org/10.1134/1.1130623Климкович, Б. В. Прыжковая электропроводность на переменном токе ковалентных полупроводников с глубокими дефектами / Б. В. Климкович, Н. А. Поклонский, В. Ф. Стельмах // Физика и техника полупроводников. – 1985. – Т. 19, № 5. – С. 848–852.Klimkovich B. V., Poklonskii N. A., Stelmakh V. F. Alternating-current hopping electrical-conductivity of covalent semiconductors with deep-level defects. Semiconductors, 1985, vol. 19, no. 5, pp. 522–524.Watkins, G. D. Intrinsic defects in silicon / G. D. Watkins // Mater. Sci. Semicond. Process. – 2000. – Vol. 3, N 4. – P. 227–235. doi.org/10.1016/s1369-8001(00)00037-8Watkins G. D. Intrinsic defects in silicon. Materials Science in Semiconductor Processing, 2000, vol. 3, no. 4, pp. 227–235. doi.org/10.1016/s1369-8001(00)00037-8

The authors declare that there are no conflicts of interest present.