pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2019-10-4-322-330pimi-518Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsВлияние экстракции дырок из базовой области кремниевого p–n–p-транзистора на его реактивный импедансEffect of Hole Extraction from the Base Region of a Silicon p–n–p Transistor on its Reactive ImpedanceГорбачукН. И.GorbachukN. I.

Адрес для переписки: Н.И. Горбачук – Белорусский государственный университет, пр-т Независимости, 4, г. Минск 220030, Беларусь     e-mail: gorbachuk@bsu.by

Address for correspondence: N.I. Gorbachuk – Belarusian State University, Nezavisimosti Ave., 4, Minsk 220030, Belarus     e-mail: gorbachuk@bsu.by

gorbachuk@bsu.byПоклонскийН. А.PoklonskiN. A.

Nezavisimosty Ave., 4, Minsk 220030, Belarus

МарочкинаЯ. Н.MarochkinaYa. N.

Nezavisimosty Ave., 4, Minsk 220030, Belarus

ШпаковскийС. В.ShpakovskiS. V.

Kazintsa str., 121 A, Minsk 220108, Belarus

Белорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarusОАО «ИНТЕГРАЛ» – управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ»БеларусьJSC “INTEGRAL”Belarus201912122019104322330Copyright © Горбачук Н.И., Поклонский Н.А., Марочкина Я.Н., Шпаковский С.В., 20192019Горбачук Н.И., Поклонский Н.А., Марочкина Я.Н., Шпаковский С.В.Gorbachuk N.I., Poklonski N.A., Marochkina Y.N., Shpakovski S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/518

Транзисторные структуры являются базовыми элементами интегральной схемотехники и часто используются для создания не только собственно транзисторов, но и диодов, резисторов, конденсаторов. Определение механизма возникновения импеданса индуктивного типа в полупроводниковых структурах является актуальной задачей, решение которой создаст предпосылки к разработке твердотельных аналогов катушек индуктивности. Цель работы – установить влияние экстракции неравновесных носителей заряда из базовой области на реактивный импеданс биполярного p–n–p-транзистора.

Методом импедансной спектроскопии в интервале частот 20 Hz–30 MHz исследованы структуры на базе p–n–p-транзисторов КТ814Г производства ОАО «ИНТЕГРАЛ». Показано, что в транзисторных структурах возможно наблюдение «эффекта отрицательной ёмкости» (импеданс индуктивного типа). Установлено, что наиболее вероятной причиной возникновения импеданса индуктивного типа является накопление нескомпенсированного заряда дырок в базе, а на величину индуктивного импеданса влияет как эффективность инжекции в переходе база–эмиттер, так и эффективность экстракции в переходе база–коллектор.

Результаты работы могут быть использованы при разработке технологий формирования элементов интегральных микросхем на основе кремния с импедансом индуктивного типа.

Transistor structures are the basic elements of integrated circuitry and are often used to create not only transistors themselves, but also diodes, resistors, and capacitors. Determining the mechanism of the occurrence of inductive type impedance in semiconductor structures is an urgent task, the solution of which will create the prerequisites for the development of solid-state analogs of inductors. The purpose of the work is to establish the effect of extraction of non-equilibrium charge carriers from the base region on the reactive impedance of a bipolar p–n–p transistor.

Using impedance spectroscopy in the frequency range 20 Hz–30 MHz, the structures based on p–n–p transistors KT814G manufactured by JSC “INTEGRAL” were studied. It is shown that in the transistor structures it is possible to observe the “effect of negative capacitance” (inductive type impedance). It is established that the most probable cause of the inductive type impedance is the accumulation of uncompensated charge of holes in the base, the value of inductive impedance is influenced by both the injection efficiency in the base–emitter junction and the extraction efficiency in the base–collector junction.

The results can be applied in the elaboration of technologies for the formation of elements of silicon based integrated circuits with an impedance of inductive type.

импедансная спектроскопиябиполярный транзисторнеравновесные электроны и дыркиp–n-переходобласть пространственного зарядаimpedance spectroscopybipolar transistornonequilibrium electrons and holesp–n-junctionspace charge regionThe work is supported by the Belarusian National Research Programs “Photonics, optoand microelectronics” and “Fizmattekh”.ReferencesNg, K.K. Complete guide to semiconductor devices / K.K. Ng. – New York: Wiley, 2002. – xxiv+740 p.Ng K.K. Complete Guide to Semiconductor Devices. New York, Wiley, 2002, xxiv+740 p.Burghartz, J.N. Integrated circuit inductor: пат. 5884990 США, МПК6 H01F 5/00 / J.N. Burghartz [et al.]; заявитель International Business Machines Corporation; заявл. 14.10.1997; опубл. 23.03.1999.Burghartz J.N., Edelstein D.C., Jahnes C.V., Uzoh C.E. Integrated circuit inductor, Patent USA 5884990, Int. Cl. 6 H01F 5/00, Assignee: International Business Machines Corporation, Filed: 14.10.1997, Date of Patent: Mar. 23, 1999.Титце, У. Полупроводниковая схемотехника: в 2 т. / У. Титце, К. Шенк. – М. : ДМК Пресс, 2008. – 832+942 с.Tietze U., Shenk Ch. Halbleiter-Schaltungstechnik. Berlin, Springer, 2002, xxvi+1606 p.Пенин, Н.А. Отрицательная емкость в полупроводниковых структурах / Н.А. Пенин // Физика и техника полупроводников. – 1996. – Т. 30, № 4. – С. 626–634.Penin N.A. Negative capacitance in semiconductor structures. Semiconductors, 1996, vol. 30, no. 4, pp. 340–343.Гибадатов, И.Ю. Индуктивный импеданс в гетроструктурах металл – халькогенидный стеклообразный полупроводник – кристаллический полупроводник / И.Ю. Гибадатов, А.С. Глебов // Письма в Журнал технической физики. – 1990. – Т. 16, № 1. – С. 22–25.Gibadatov I.Yu., Glebov A.S. [Inductive impedance in metal – chalcogenide glass-like semi-conductor – crystal semiconductor structures]. Pis’ma v Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki [Soviet Technical Physics Letters], 1990, vol. 16, no. 1, pp. 22–25 (in Russian).Butcher, K.S.A. An instrumental solution to the phenomenon of negative capacitance in semiconductors / K.S.A. Butcher, T.L. Tansley, D. Alexiev // Solid-State Electronics. – 1996. – Vol. 39, № 3. – P. 333–336. DOI: 10.1016/0038-1101(95)00143-3Butcher K.S.A., Tansley T.L., Alexiev D. An instrumental solution to the phenomenon of negative capacitance in semiconductors. Solid-State Electronics, 1996, vol. 39, no. 3, pp. 333–336. DOI: 10.1016/0038-1101(95)00143-3Болтаев, А.П. Отрицательная емкость в гетероструктурах Ni–TiO2–p-Si / А.П. Болтаев [и др.] // Микроэлектроника. – 1995. – Т. 24, № 4. – С. 291–294.Boltaev A.P., Burbaev T.M., Kalyuzhnaya G.A., Kurbatov V.A., Penin N.A. Negative capacitance in Ni– TiO2–p-Si heterostructures. Russian Microelectronics, 1995, vol. 24, no. 4, pp. 255–258.Болтаев, А.П. Эффекты накопления заряда и отрицательная емкость в гетероструктурах на основе кремния / А.П. Болтаев [и др.] // Известия РАН. – 1999. – Т. 63, № 2. – С. 312–316.Boltaev A.P., Burbaev T.M., Kurbatov V.A., Rzaev M.M., Penin N.A., Sibeldin N.N. [Charge accumulation effects and negative capacitance in heterostructures based on silicon]. Izvestiya Akademii Nauk. Seriya Fizicheskaya, 1999, vol. 63, no. 2, pp. 312– 316 (in Russian).Parravicini, G.B. Low-frequency negative capacitance effect in system of metallic nanoparticles embedded in dielectric matrix / G.B. Parravicini [et al.] // Applied Physics Letters. – 2004. – Vol. 85, № 2. – P. 302– 304. DOI: 10.1063/1.1772872Parravicini G.B., Stella A., Ungureanu M.C., Kofman R. Low-frequency negative capacitance effect in system of metallic nanoparticles embedded in dielectric matrix. Applied Physics Letters, 2004, vol. 85, no. 2, pp. 302–304. DOI: 10.1063/1.1772872Ershov, M. Negative capacitance effect in semiconductor devices / M. Ershov [et al.] // IEEE Transactions on Electron Devices. – 1998. – Vol. 45, № 10. – P. 2196–2206. DOI: 10.1109/16.725254Ershov M., Liu H.C., Li L., Buchanan M., Wasilewski Z.R., Jonscher A.K. Negative capacitance effect in semiconductor devices. IEEE Transactions on Electron Devices, 1998, vol. 45, no. 10. – P. 2196–2206. DOI: 10.1109/16.725254Jones, B.K. Negative capacitance effects in semiconductor diodes / B.K. Jones, J. Santana, M. McPherson // Solid State Communications. – 1998. – Vol. 107, № 2. – P. 47–50. DOI: 10.1016/S0038-1098(98)00162-8Jones B.K., Santana J., McPherson M. Negative capacitance effects in semiconductor diodes. Solid State Communications, 1998, vol. 107, no. 2, pp. 47–50. DOI: 10.1016/S0038-1098(98)00162-8Поклонский, Н.А. Отрицательная емкость (импеданс индуктивного типа) кремниевых p+–nпереходов, облученных быстрыми электронами / Н.А. Поклонский [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 2006. – Т. 40, № 7. – С. 824–828. DOI: 10.1134/S1063782606070128Poklonski N.A., Shpakovski S.V., Gorbachuk N.I., Lastovskii S.B. Negative capacitance (impedance of the inductive type) of silicon p+–n junctions irradiated with fast electrons. Semiconductors, 2006, vol. 40, no. 7, pp. 803–807. DOI: 10.1134/S1063782606070128McPherson, M. Capacitive effects in neutronirradiated silicon diodes / M. McPherson // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. – 2002.– Vol. 488, № 1–2. – P. 100–109. DOI: 10.1016/S0168-9002(02)00480-1McPherson M. Capacitive effects in neutronirradiated silicon diodes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2002, vol. 488, no. 1–2, pp. 100–109. DOI: 10.1016/S0168-9002(02)00480-1Горбачук, Н.И. Контроль дифференциального сопротивления p–n-переходов биполярного транзистора в активном режиме методом импедансной спектроскопии / Н.И. Горбачук [и др.] // Приборы и методы измерений. – 2019. – Т. 10, № 3. – С. 253–262. DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-3-253-262Gorbachuk N.I., Poklonski N.A., Marochkina Ya.N., Shpakovski S.V. [Controlling of differential resistance of p–n-junctions of bipolar transistor in active mode by method of impedance spectroscopy]. Devices and Methods of Measurements, 2019, vol. 10, no. 3, рр. 253–262 (in Russian). DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-3-253-262ULSI Technology / Ed. by C.Y. Chang, S.M. Sze. – New York: McGraw-Hill, 1996. – xxvi+726 p.ULSI Technology, ed. by C.Y. Chang, S.M. Sze. New York, McGraw-Hill, 1996, xxvi+726 p.Impedance spectroscopy: Theory experiment, and applications / Ed. by E. Barsoukov, J.R. Macdonald. – Hoboken: Wiley, 2018. – xviii+528 p. DOI: 10.1002/9781119381860Impedance Spectroscopy: Theory Experiment, and Applications, ed. by E. Barsoukov, J.R. Macdonald. Hoboken, Wiley, 2018, xviii+528 p. DOI: 10.1002/9781119381860Поклонский, Н.А. Электропроводность композиционных материалов на основе мелкодисперсного кремния вблизи перехода диэлектрик–металл / Н.А. Поклонский [и др.] // Неорганические материалы. – 2004. – Т. 40, № 11. – С. 1293–1298.Poklonskii N.A., Gorbachuk N.I., Pototskii I.V., Trofimchuk D.A. Electrical conductivity of composite materials based on fineparticle silicon near the metal– insulator transition. Inorganic Materials, 2004, vol. 40, no 11, pp. 1133–1137. DOI: 10.1023/B:INMA.0000048209.93137.12Poklonski, N.A. Impedance and barrier capacitance of silicon diodes implanted with high-energy Xe ions / N.A. Poklonski [et al.] // Microelectronics Reliability. – 2010. – Vol. 50, № 6. – P. 813–820. DOI: 10.1016/j.microrel.2010.02.007Poklonski N.A., Gorbachuk N.I., Shpakovski S.V., Filipenia V.A., Lastovskii S.B., Skuratov V.A., Wieck A., Markevich V.P. Impedance and barrier capacitance of silicon diodes implanted with high-energy Xe ions. Microelectronics Reliability, 2010, vol. 50, no. 6, pp. 813–820. DOI: 10.1016/j.microrel.2010.02.007Sze, S.M. Semiconductor devices: Physics and technology / S.M. Sze, M.K. Lee. – New York: Wiley, 2012. – x+578 p.Sze S.M., Lee M.K. Semiconductor Devices: Physics and Technology, New York, Wiley, 2012, x+578 p.

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