Высокочастотный конденсатор с рабочим веществом «изолятор нелегированный кремний изолятор»

Исследование параметров электрических конденсаторов с различными рабочими веществами представляет интерес для проектирования и создания элементов электроники, в частности для разработки высокочастотных фазосдвигающих цепей.

Цель работы рассчитать высокочастотную электрическую емкость конденсатора с рабочим веществом «изолятор нелегированный кремний изолятор» при различных подаваемых на конденсатор постоянных напряжениях, частотах измерительного сигнала и температурах.

Предложена модель такого конденсатора, в которой слой нелегированного (собственного) кристаллического кремния (i-Si) толщиной 30 мкм отделен от каждого из электродов конденсатора слоем изолятора (диоксида кремния) толщиной 1 мкм.

Рассчитаны зависимости емкости конденсатора от постоянного электрического напряжения U на металлических электродах на нулевой частоте и на частоте измерительного сигнала 1 МГц при абсолютных температурах T = 300 и 400 К. Показано, что действительная часть емкости конденсатора монотонно возрастает, а мнимая часть отрицательна и немонотонно зависит от U при температуре T = 300 К. Увеличение действительной части емкости конденсатора до геометрической емкости оксидных слоев при увеличении температуры обусловлено уменьшением электрического сопротивления слоя i-Si. Вследствие этого с увеличением температуры до 400 К действительная и мнимая части емкости принимают постоянные значения, независящие от U. Емкость слоя i-Si при увеличении как температуры T, так и напряжения U шунтируется электрической проводимостью этого слоя. Определен сдвиг фаз для синусоидального электрического сигнала с частотой 0,3; 1; 10; 30; 100 и 300 МГц, подаваемого на конденсатор при температурах 300 и 400 К.

1. Poklonski N.A., Vyrko S.A. Nonlinear screening of the field of a dopant ion on the metal side of the Mott phase transition in semiconductors. Phys. Solid State, 2002, vol. 44, no. 7, pp. 1235-1240. https://doi.org/10.1134/1.1494615

2. Monakhov A.M., Rogachev A.A. 0scillations of the electrostatic potential of semiconductors in the case of screening of an external electric field by nonequilibrium charge carriers. Sov. Phys. Solid State, 1988, vol. 30, no. 4, pp. 666-670.

3. Furgel' I.A., Shapiro M.M. Charge distribution and structure of inhomogeneous plasma confined by unlike-charge planes. J. Eng. Phys. Thermophys., 1993, vol. 64, no. 5, pp. 492-496. https://doi.org/10.1007/BF00862642

4. Pribylov N.N., Pribylova E.I. Electrical losses in high-resistivity silicon with deep levels. Semiconductors, 1996, vol. 30, no. 4, pp. 344-346.

5. Poklonski N.A., Anikeev I.I., Vyrko S.A. Low-frequency admittance of capacitor with working substance "insulator-partially disordered semiconductor-insulator". Devices and Methods of Measurements, 2021, vol. 12, no. 3, pp. 202-210. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2021-12-3-202-210

6. Vostokov N.V., Shashkin V.I. Admittance and nonlinear capacitance of a multilayer metal-semiconductor structure. Semiconductors, 2008, vol. 42, no. 7, pp. 783-787. https://doi.org/10.1134/S1063782608070063

7. Bondarenko V.B., Filimonov A.V. 0n a chaotic potential at the surface of a compensated semiconductor under conditions of the self-assembly of electrically active defects. Semiconductors, 2015, vol. 49, no. 9, pp. 1187-1190. https://doi.org/10.1134/S1063782615090080

8. Bondarenko V.B., Filimonov A.V. Criterion for strong localization on a semiconductor surface in the Thomas-Fermi approximation. Semiconductors, 2017, vol. 51, no. 10, pp. 1321-1325. https://doi.org/10.1134/S1063782617100062

9. Tsurikov D.E., Yafyasov A.M. Differential capacitance of a semiconductor film. Semiconductors, 2010, vol. 44, no. 10, pp. 1292-1296. https://doi.org/10.1134/S106378261010009X

10. Kovalevskaya T.E., 0vsyuk V.N. 0n the potential distribution in a thin semiconductor layer. Semiconductors, 1996, vol. 30, no. 10, pp. 910-912.

11. Gubanov A.I., Davydov S.Yu. Calculation of contact potential for a thin semiconductor film. Sov. Phys. Semicond., 1971, vol. 5, no. 2, pp. 322-323.

12. 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. https://doi.org/10.1016/0038-1101(75)90001-5

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

14. Brazhe R.A. Electrodynamic convection of free charge carriers in semiconductors. Phys. Solid State, 1997, vol. 39, no. 2, pp. 245-247. https://doi.org/10.1134/1.1130128

15. Maddock R.J., Calcutt D.M. Electronics for Engineers. Harlow, Longman, 1994, xiv+720 p.

16. Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications, ed. by E. Barsoukov, J.R. Macdonald. Hoboken, Wiley, 2018, xviii+528 p.

17. Tooley M. Electronic Circuits: Fundamentals and Applications. London, Routledge, 2020, XII+510 p.

18. 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, pp. 1206-1208.

19. Grundmann M. The Physics of Semiconductors. An Introduction Including Nanophysics and Applications. Cham, Springer, 2021, xxxviii+890 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-51569-0

20. Poklonski N.A., Vyrko S.A., Podenok S.L. Statisticheskaya fizika poluprovodnikov [Statistical physics of semiconductors]. Moscow, KomKniga Publ., 2005, 264 p.

21. Blakemore J.S. Semiconductor Statistics. New York, Dover, 2002, xviii+382 p.

22. Shockley W. Electrons and Holes in Semiconductors: With Applications to Transistor Electronics. New York, R.E. Krieger Pub. Co., 1976, xxiv+558 p.

23. Marshak A.H. 0n the inappropriate use of the intrinsic level as a measure of the electrostatic potential in semiconductor devices. IEEE Electron Dev. lett., 1985, vol. 6, no. 3, pp. 128-129. https://doi.org/10.1109/EDL.1985.26069

24. Adachi S. Properties of Group-IV, III-V and IIVI Semiconductors. Chichester, Wiley, 2005, xviii+388 p. https://doi.org/10.1002/0470090340

25. Madelung 0. Semiconductors: Data Handbook Berlin, Springer, 2004, xiv+692 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-18865-7

26. Handbook Series on Semiconductor Parameters. Vol. 1: Si, Ge, C (Diamond), GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP, InSb, ed. by M. Levinshtein, S. Rumyantsev, M. Shur. Singapore, World Scientific, 1996, xiv+218 p. https://doi.org/10.1142/2046-vol1

27. Couderc R., Armara M., Lemiti M. Reassessment of the intrinsic carrier density temperature dependence in crystalline silicon. J. Appl. Phys., 2014, vol. 115, no. 9, pp. 093705 (1-5). https://doi.org/10.1063/1.4867776

28. Green M.A. Intrinsic concentration, effective densities of states, and effective mass in silicon. J. Appl. Phys., 1990, vol. 67, no. 6, pp. 2944-2954. https://doi.org/10.1063/1.345414

29. Stepanov G.V., Shevchenko 0.F., Luk'yanov A.E., Mukailov N.S., Urazgil'din I.F., Krokhina E.A. Study of phenomena occurring upon electrical breakdown over the surface of silicon and in the interior of silicon dioxide. Bull. Acad Sci. USSR. Phys. Ser., 1982, vol. 46, no. 12, pp. 123-127.

30. Krause H. Trap induction and breakdown mechanism in Si02 films. Phys. Status Solidi A, 1985, vol. 89, no. 1, pp. 353-362. https://doi.org/10.1002/pssa.2210890137

31. Chen I.C., Holland S.E., Hu C. Electrical breakdown in thin gate and tunneling oxides. IEEE Trans. Electron. Dev., 1985, vol. 32, no. 2, pp. 413-422. https://doi.org/10.1109/T-ED.1985.21957