Влияние экстракции дырок из базовой области кремниевого p–n–p-транзистора на его реактивный импеданс

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.

1. Ng, K.K. Complete guide to semiconductor devices / K.K. Ng. – New York: Wiley, 2002. – xxiv+740 p.

2. 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.

3. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника: в 2 т. / У. Титце, К. Шенк. – М. : ДМК Пресс, 2008. – 832+942 с.

4. Пенин, Н.А. Отрицательная емкость в полупроводниковых структурах / Н.А. Пенин // Физика и техника полупроводников. – 1996. – Т. 30, № 4. – С. 626–634.

5. 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.

6. 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)00143-3

7. Болтаев, А.П. Отрицательная емкость в гетероструктурах Ni–TiO2–p-Si / А.П. Болтаев [и др.] // Микроэлектроника. – 1995. – Т. 24, № 4. – С. 291–294.

8. 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.

9. 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: 10.1063/1.1772872

10. Ershov, M. Negative capacitance effect in semiconductor devices / M. Ershov [et al.] // IEEE Transactions on Electron Devices. – 1998. – Vol. 45, № 10. – P. 2196–2206. DOI: 10.1109/16.725254

11. Jones, 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)00162-8

12. Поклонский, 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/S1063782606070128

13. McPherson, 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)00480-1

14. Горбачук, 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: 10.21122/2220-9506-2019-10-3-253-262

15. ULSI Technology / Ed. by C.Y. Chang, S.M. Sze. – New York: McGraw-Hill, 1996. – xxvi+726 p.

16. Impedance spectroscopy: Theory experiment, and applications / Ed. by E. Barsoukov, J.R. Macdonald. – Hoboken: Wiley, 2018. – xviii+528 p. DOI: 10.1002/9781119381860

17. Поклонский, 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.

18. Poklonski, 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.2010.02.007

19. Sze, S.M. Semiconductor devices: Physics and technology / S.M. Sze, M.K. Lee. – New York: Wiley, 2012. – x+578 p.