Низкочастотный адмиттанс конденсатора с рабочим веществом «изолятор – частично разупорядоченный полупроводник – изолятор»

Исследование электрофизических характеристик кристаллических полупроводников с дефектами структуры представляет практический интерес при создании радиационно-стойких варакторов. По вольт-фарадным характеристикам разупорядоченного полупроводника можно определять концентрацию точечных дефектов в его кристаллической матрице. Цель работы – рассчитать низкочастотный адмиттанс конденсатора с рабочим веществом «изолятор – кристаллический полупроводник с точечными t-дефектами в зарядовых состояниях (−1), (0) и (+1) – изолятор».

Слой частично разупорядоченного полупроводника толщиной 150 мкм отделен от металлических обкладок конденсатора диэлектрическими прослойками из полиимида толщиной 3 мкм. Частично разупорядоченный полупроводник рабочего вещества конденсатора представляет собой, например, сильнодефектный кристаллический кремний, содержащий точечные t-дефекты, случайно (пуассоновски) распределенные по кристаллу, в зарядовых состояниях (−1), (0) и (+1) между которыми прыжковым образом мигрируют одиночные электроны. Считается, что прыжки электронов происходят только с t-дефектов в зарядовом состоянии (−1) на t-дефекты в зарядовом состоянии (0) и с t-дефектов в зарядовом состоянии (0) на t-дефекты в зарядовом состоянии (+1).

В работе впервые проведено усреднение коэффициентов прыжковой диффузии по всем вероятным длинам прыжка электрона между t-дефектами в зарядовых состояниях (−1), (0) и (0), (+1) в ковалентной кристаллической матрице. Для такого элемента рассчитаны низкочастотный адмиттанс и угол сдвига фаз между током и напряжением в зависимости от приложенного на электроды конденсатора напряжения при концентрации t-дефектов 3∙1019 см−3 для температур 250, 300 и 350 К и при температуре 300 К для концентраций t-дефектов 1∙1019, 3∙1019 и 1∙1020 см−3.

1. Zvyagin I.P. Controlling the jump-over conductivity of compensated semiconductors with the aid of an electrical field. Sov. Phys. Dokl., 1977, vol. 22, no. 11, pp. 647–648.

2. Poklonskii N.A., Vyrko S.A. Screening of an electric field and the quasi-static capacitance of an induced charge in semiconductors with hopping conductivity. Russ. Phys. J., 2002, vol. 45, no. 10, pp. 1001–1007. DOI: 10.1023/A:1022867001332

3. 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: 10.1134/S1063782608120038

4. 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: 10.1134/S1063782607110048

5. Poklonski N.A., Kovalev A.I., Vyrko S.A. [Lowfrequency electrical capacitance of semiconductor diode with hopping conductivity via triple-charged defects]. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi [Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus], 2017, vol. 61, no. 4, pp. 52–59 (in Russian).

6. Żukowski P.W., Kantorow S.B., Kiszczak K., Mączka D., Rodzik A., Stelmakh V.F., CzarneckaSuch E. Study of the dielectric function of silicon irradiated with a large dose of neutrons. Phys. Status Solidi A, 1991, vol. 128, № 2, pp. K117–K121. DOI: 10.1002/pssa.2211280243

7. Djurić Z., Smiljanić M. Static characteristics of metal–insulator–semiconductor–insulator–metal (MISIM) structures—I. Electric field and potential distributions. Solid-State Electron., 1975, vol. 18, no. 10, pp. 817–825. DOI: 10.1016/0038-1101(75)90001-5

8. Djurić Z., Smiljanić M., Tjapkin D. Static characteristics of the metal–insulator–semiconductor–insulator– metal (MISIM) structure—II. Low frequency capacitance. Solid-State Electron., 1975, vol. 18, no. 10, pp. 827–831. DOI: 10.1016/0038-1101(75)90002-7

9. Ng K.K. Complete Guide to Semiconductor Devices. New-York, Wiley–IEEE Press, 2002, xxiv+740 p. DOI: 10.1002/9781118014769

10. Krupski J. Interfacial capacitance. Phys. Status Solidi B, 1990, vol. 157, no. 1, pp. 199–207. DOI: 10.1002/pssb.2221570119

11. Berman L.S., Klinger P.M., Fistul’ V.I. Determination of the parameters of deep centers in an overcompensated semiconductor from the temperature dependence of the capacitance and active conductance. Sov. Phys. Semicond., 1989, vol. 23, no. 11, p. 1206–1208.

12. Elfimov L.B., Ivanov P.A. Surface capacitance of a semiconductor with a deep dopant (in the example of p-6H-SiC<B>). Semiconductors, 1994, vol. 28, no. 1, pp. 97–100.

13. Poklonski N.A., Gorbachuk N.I. [Fundamentals of impedance spectroscopy of composites]. Minsk, BSU, 2005, 130 p. (in Russian).

14. Poklonskii N.A., Stelmakh V.F., Tkachev V.D., Voitikov S.V. Screening of electrostatic fields in semiconductors by multichargeddefects. Phys. Status Solidi B, 1978, vol. 88, no. 2, pp. K165–K168. DOI: 10.1002/pssb.2220880266

15. Mott N. Impurity bands in silicon and germanium. Disordered Semiconductors, ed. by M.A. Kastner, G.A. Thomas, S.R. Ovshinsky. New York, Plenum Press, 1987, pp. 3–10. DOI: 10.1007/978-1-4613-1841-5_2

16. Mott N. The mobility edge since 1967. J. Phys. C: Solid St. Phys., 1987, vol. 20, no. 21, pp. 3075–3102. DOI: 10.1088/0022-3719/20/21/008

17. Lugakov P.F., Lukashevich T.A., Shusha V.V. Nature of the defect determining the Fermi level stabilization in irradiated silicon. Phys. Status Solidi A, 1982, vol. 74, no. 2, pp. 445–452. DOI: 10.1002/pssa.2210740209

18. Kuznetsov N.V., Soloviev G.G. [Radiation resistance of silicon]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989, 96 p. (in Russian).

19. Brudnyi V.N. Charge neutrality in semiconductors: defects, interfaces, surface. Russ. Phys. J., 2013, vol. 56, no. 7, pp. 754–756. DOI: 10.1007/s11182-013-0095-4.

20. Poklonski N.A., Vyrko S.A., Poklonskaya O.N., Zabrodskii A.G. Transition temperature from band to hopping direct current conduction in crystalline semiconductors with hydrogen-like impurities: Heat versus Coulomb attraction. J. Appl. Phys., 2011, vol. 110, no. 12, pp. 123702 (1–7). DOI: 10.1063/1.3667287

21. Poklonski N.A., Vyrko S.A., Poklonskaya O.N., Zabrodskii A.G. Role of electrostatic fluctuations in doped semiconductors upon the transition from band to hopping conduction (by the example of p-Ge:Ga). Semiconductors, 2016, vol. 50, no. 6, pp. 722–734. DOI: 10.1134/S1063782616060191

22. Poklonskii N.A., Lopatin S.Yu. Stationary hopping photoconduction among multiply charged impurity atoms in crystals. Phys. Solid State, 1998, vol. 40, no. 10, pp. 1636–1640. DOI: 10.1134/1.1130623

23. Grundmann M. The Physics of Semiconductors. An Introduction Including Nanophysics and Applications. Berlin, Springer, 2021, xxxvii+889 p. DOI: 10.1007/978-3-030-51569-0

24. Poklonski N.A., Vyrko S.A., Podenok S.L. [Statistical physics of semiconductors]. Moscow, KomKniga Publ., 2005, 264 p. (in Russian).

25. Poklonski N.A., Vyrko S.A., Kovalev A.I., Dzeraviaha A.N. Drift-diffusion model of hole migration in diamond crystals via states of valence and acceptor bands. J. Phys. Commun., 2018, vol. 2, no. 1, pp. 015013 (1–14). DOI: 10.1088/2399-6528/aa8e26

26. Baranovskii S., Rubel O. Chapter 9. Charge transport in disordered materials. Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials, eds. S. Kasap, P. Capper. Berlin, Springer, 2017, pp. 193–218. DOI: 10.1007/978-3-319-48933-9_9

27. Shklovskii B.I., Efros A.L. Electronic Properties of Doped Semiconductors. Berlin, Springer, 1984, xii+388 p.

28. Klimkovich B.V., Poklonskii N.A., Stelmakh V.F. Alternating-current hopping electrical-conductivity of covalent semiconductors with deep-level defects. Sov. Phys. Semicond., 1985, vol. 19, no. 5, pp. 522–524

29. Dyre J.C., Schrøder T.B. Universality of ac conduction in disordered solids. Rev. Mod. Phys, 2000, vol. 72, no. 3, pp. 873–892. DOI: 10.1103/RevModPhys.72.873

30. Long A.R. Frequency-dependent loss in amorphous semiconductors. Adv. Phys., 1982, vol. 31, no. 5, pp. 553–637. DOI: 10.1080/00018738200101418