danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"dan-440Research ArticleФИЗИКАPHYSICSНИЗКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА С ПРЫЖКОВОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ ПО ТРЕХЗАРЯДНЫМ ДЕФЕКТАМLOW-FREQUENCY ELECTRICAL CAPACITANCE OF SEMICONDUCTOR DIODE WITH HOPPING CONDUCTIVITY VIA TRIPLE-CHARGED DEFECTSПоклонскийН. 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.byБелорусский государственный университетBelarusian State University2017051020176145259Copyright © Поклонский Н.А., Ковалев А.И., Вырко С.А., 20172017Поклонский Н.А., Ковалев А.И., Вырко С.А.Poklonski N.A., Kovalev A.I., Vyrko S.A.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/440 

 

Впервые теоретически рассчитана емкость полупроводникового p+n+-диода, в котором и p+-область, и n+-область полностью компенсированы точечными радиационными дефектами (rt-дефектами) одного вида. Каждый rt-дефект вносит два уровня энергии в энергетическую щель (запрещенную зону) кристаллической матрицы и может находиться в одном из трех зарядовых состояний (−1, 0, +1). Такой диод, в котором отсутствуют и электроны в c-зоне, и дырки в v-зоне, называется ζ-диодом. Ток в ζ-диоде осуществляется только посредством прыжков электро-нов между rt-дефектами. В дрейфово-диффузионном приближении численно решена система стационарных нелинейных дифференциальных уравнений, описывающая прыжковую миграцию электронов по rt-дефектам. Рассчитаны статические вольт-фарадные характеристики ζ-диода на основе кристаллического кремния для интервала рабочих температур от 78 до 373 К. Отмечена возможность использования ζ-диодов в качестве радиационно-стойких варикапов, работающих при низких (криогенных) температурах.

 

 

For the first time the capacitance of a semiconductor p+n+-diode is theoretically calculated, in which both the p+-region and the n+-region are completely compensated with point irradiation-induced defects (rt-defects) of one kind. Each rt-defect introduces two energy levels into a band gap of crystalline host matrix and can be one of three charge states (−1, 0, +1). Such a diode, in which both electrons in the conduction band and holes in the valence band are absent, is called a ζ-diode. The ζ-diode current is performed by electron hopping via rt-defects only. In the drift-diffusion approximation, a system of stationary nonlinear differential equations for hopping migration of electrons via rt-defects is numerically solved. The static capacitance-voltage characteristics of the ζ-diode based on crystalline silicon are calculated for the operating temperature ranging from 78 to 373 K. It is shown that the ζ-diode can be used as radiation-resistant varicaps operating at low (cryogenic) temperatures.

 

 

 

 

 

 

 

 

трехзарядные радиационные дефектыпрыжковая миграция электроновдрейфово-диффузионное приближениеполупроводниковый диоддифференциальная электрическая емкостьtriple-charged irradiation-induced defectshopping migration of electronsdrift-diffusion approximationsemiconductor diodedifferential capacitanceReferencesПоклонский, Н. А. Ионизационное равновесие и прыжковая электропроводность в легированных полупроводниках / Н. А. Поклонский. – Минск: Изд. центр БГУ, 2004. – 195 с.Poklonski N. A. Ionization equilibrium and hopping conductivity in doped semiconductors. Belarusian State University Publ., 2004. 195 p. (in Russian).Pollak, M. Hopping – past, present and future(?) / M. Pollak // Phys. Status Solidi B. – 2002. – Vol. 230, N 1. – P. 295–304. doi.org/10.1002/1521-3951(200203)230:13.0.CO;2-CPollak M. Hopping – past, present and future(?). Physica Status Solidi (B), 2002, vol. 230, no. 1, pp. 295–304. doi. org/10.1002/1521-3951(200203)230:13.0.CO;2-CCarrier transport of diamond p+-i-n+ junction diode fabricated using low-resistance hopping p+ and n+ layers / K. Oyama [et al.] // Phys. Status Solidi A. – 2011. – Vol. 208, N 4. – P. 937–942. doi.org/10.1002/pssa.201026490Oyama K., Ri S.-G., Kato H., Takeuchi D., Makino T., Ogura M., Tokuda N., Okushi H., Yamasaki S. Carrier transport of diamond p+-i-n+ junction diode fabricated using low-resistance hopping p+ and n+ layers. Physica Status Solidi A, 2011, vol. 208, no. 4, pp. 937–942. doi.org/10.1002/pssa.201026490Ionization equilibrium at the transition from valence-band to acceptor-band migration of holes in boron-doped diamond / N. A. Poklonski [et al.] // J. Appl. Phys. – 2016. – Vol. 119, N 24. – P. 245701. doi.org/10.1063/1.4954281Poklonski N. A., Vyrko S. A., Poklonskaya O. N., Kovalev A. I., Zabrodskii A. G. Ionization equilibrium at the transition from valence-band to acceptor-band migration of holes in boron-doped diamond. Journal of Applied Physics, 2016, vol. 119, no. 24, pp. 245701. doi.org/10.1063/1.4954281Булярский, С. В. Термодинамика комплексообразования и кластеризации дефектов в полупроводниках / С. В. Булярский, В. В. Светухин, П. Е. Львов // Физика и техника полупроводников. – 2000. – Т. 34, № 4. – С. 385–388.Bulyarskii S. V., Svetukhin V. V., L’vov P. E. Thermodynamics of complex formation and defect clustering in semiconductors. Semiconductors, 2000, vol. 34, no. 4, pp. 371–375. doi.org/10.1134/1.1187990Zangenberg, N. On-line DLTS investigations of the mono- and di-vacancy in p-type silicon after low temperature electron irradiation / N. Zangenberg, J.-J. Goubet, A. N. Larsen // Nucl. Instrum. Meth. B. – 2002. – Vol. 186, N 1–4. – P. 71–77. doi.org/10.1016/S0168-583X(01)00876-XZangenberg N., Goubet J.-J., Larsen A. N. On-line DLTS investigations of the mono- and di-vacancy in p-type silicon after low temperature electron irradiation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2002, vol. 186, no. 1–4, pp. 71–77. doi.org/10.1016/S0168-583X(01)00876-XRadiation effects in semiconductors / ed. by K. Iniewski. – Boca Raton: CRC Press, 2011. – 420 p.Iniewski K., (ed.). Radiation effects in semiconductors. CRC Press, 2011. 420 p.Брудный, 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/s11182-013-0095-4Liou, J. J. Capacitance of semiconductor p-n junction space-charge layers: an overview / J. J. Liou, F. A. Lindholm // Proc. IEEE. – 1988. – Vol. 76, N 11. – P. 1406–1422. doi.org/10.1109/5.90112Liou J. J., Lindholm F. A. Capacitance of semiconductor p-n junction space-charge layers: an overview. Proceedings of the IEEE, 1988, vol. 76, no. 11, pp. 1406–1422. doi.org/10.1109/5.90112Sarjeant, W. J. Capacitive components for power electronics / W. J. Sarjeant, I. W. Clelland, R. A. Price // Proc. IEEE. – 2001. – Vol. 89, N 6. – P. 846–855. doi.org/10.1109/5.931475Sarjeant W. J., Clelland I. W., Price R. A. Capacitive components for power electronics. Proceedings of the IEEE, 2001, vol. 89, no. 6, pp. 846–855. doi.org/10.1109/5.931475Johnston, A. H. Radiation damage of electronic and optoelectronic devices in space / A. H. Johnston // Proc. of 4th Int. Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Application, Tsukuba, Japan, October 11–13, 2000. – P. 1–9 [Electronic resource]. – Mode of access: hdl.handle.net/2014/16123.Johnston A. H. Radiation damage of electronic and optoelectronic devices in space. Proceedings of 4th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Application, Tsukuba, Japan, October 11–13, 2000, pp. 1–9. Available at: hdl.handle.net/2014/16123.Поклонский, Н. А. Эффект поля и электрическая емкость кристаллов кремния при прыжковой проводимости по точечным радиационным дефектам, «локализующим» уровень Ферми / Н. А. Поклонский, С. А. Вырко, А. Г. Забродский // Физика и техника полупроводников. – 2007. – Т. 41, № 11. – С. 1317–1323.Poklonski N. A., Vyrko S. A., Zabrodskii A. G. Field effect and capacitance of silicon crystals with hopping conductivity over point radiation defects pinning the Fermi level. Semiconductors, 2007, vol. 41, no. 11, pp. 1300–1306. doi. org/10.1134/S1063782607110048Полупроводниковый диод с прыжковой миграцией электронов по точечным дефектам кристаллической матрицы / Н. А. Поклонский [и др.] // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2017. – Т. 61, № 3. – С. 30–37.Poklonski N. A, Kovalev A. I., Vyrko S. A., Vlassov A. T. Semiconductor diode with hopping migration of electrons via point defects of crystalline matrix. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2017, vol. 61, no. 3, pp. 30–37 (in Russian).Поклонский, Н. А. Распределение электростатического потенциала и зарядовых состояний неподвижных дефектов при прыжковой миграции электронов между ними в полупроводниковой пленке / Н. А. Поклонский, С. А. Вырко, А. И. Ковалев // Аморфные и микрокристаллические полупроводники: сб. тр. IX Междунар. конф., Санкт-Петербург, 7–10 июля 2014 г. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. – С. 93–94.Poklonski N. A., Vyrko S. A., Kovalev A. I. Distribution of electrostatic potential and charge states of immobile defects at hopping migration of electrons between them in semiconductor film. Amorfnye i mikrokristallicheskie poluprovodniki: sbornik trudov IX Mezhdunarodnoi konferencii [Proceedings IX International Conference Amorphous and Microcrystalline Semiconductors]. Saint-Petersburg, 2014, pp. 93–94 (in Russian).Интегральная электрическая емкость полупроводникового диода с трехзарядными радиационными точечными дефектами / Н. А. Поклонский [и др.] // Актуальные проблемы физики твердого тела (ФТТ-2016): сб. докл. Междунар. науч. конф., Минск, 22–25 нояб. 2016 г.: в 3 т. / редкол.: Н. М. Олехнович (пред.) [и др.]. – Минск: Ковчег, 2016. – Т. 2. – С. 135–138.Poklonski N. A., Kovalev A. I., Vyrko S. A., Vlassov A. T. Integral capacitance of semiconductor diode with triple-charged irradiation-induced point defects. Aktual’nye problemy fiziki tverdogo tela (FTT-2016): sbornik dokladov Mezhdunarodnoi nauchnoi konferencii [Proceedings International Conference Actual Problems of Solid State Physics (SSP-2016)]. Minsk, 2016, vol. 2, pp. 135–138 (in Russian).Дифференциальная емкость полупроводникового диода с прыжковой проводимостью по радиационным дефектам / Н. А. Поклонский [и др.] // Материалы и структуры современной электроники: сб. науч. тр. VII Междунар. науч. конф., Минск, 12–13 окт. 2016 г. / редкол.: В. Б. Оджаев (отв. ред.) [и др.]. – Минск: БГУ, 2016. – С. 178–181.Poklonski N. A., Kovalev A. I., Vyrko S. A., Vlassov A. T. Differential capacitance of semiconductor diode with hopping conduction via irradiation-induced defects. Materialy i struktury sovremennoj elektroniki: sbornik nauchnykh trudov VII Mezhdunarodnoi nauchnoi konferencii [Proceedings VII International Conference Materials and Structures of Modern Electronics]. Minsk, 2016, pp. 178–181 (in Russian).

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