Миграция электронов по трехзарядным дефектам кристаллической матрицы

  • Николай Александрович Поклонский Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-0799-6950
  • Александр Николаевич Деревяго Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-0021-4303
  • Сергей Александрович Вырко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Александр Игоревич Ковалев Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0003-2711-2005
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-1-41-53

Аннотация

Изучение полупроводниковых материалов с точечными радиационными дефектами кристаллической структуры в трех зарядовых состояниях (–1), (0), (+1) важно для определения условий их стойкости при воздействии гамма-квантов, быстрых электронов и др. Такие дефекты в условиях ионизационного равновесия самодостаточны для обеспечения электрической нейтральности материала, что и обусловливает его радиационную стойкость. В кристаллах кремния и алмаза указанные дефекты при их накоплении стабилизируют уровень Ферми в окрестности одной трети ширины запрещенной зоны от потолка валентной зоны. В работе приводится аналитическое описание стационарного прыжкового переноса электронов в полупроводнике при учете совместной миграции по этим трехзарядным дефектам и одиночных электронов, и пар электронов. Рассматривается кристаллический полу проводник как матрица, содержащая в превалирующей концентрации неподвижные точечные дефекты одного сорта. Впервые в дрейфово-диффузионном приближении построена феноменологическая теория сосуществующей миграции как одиночных электронов (переходы из зарядового состояния (–1) в состояние (0) и из состояния (0) в состояние (+1)), так и пар электронов (переходы из состояния (–1) в состояние (+1)) посредством их прыжков между такими дефектами при наложении на полупроводник внешнего стационарного электрического поля. В линейном приближении получены аналитические выражения для длины экранирования статического электрического поля и длины прыжковой диффузии электронов, мигрирующих по дефектам. Показано, что дополнительный вклад прыжкового переноса пар электронов приводит к уменьшению длины экранирования, а также изменяет длину диффузии.

Биографии авторов

Николай Александрович Поклонский, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; профессор кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета

Александр Николаевич Деревяго, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирант кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета. Научный руководитель – Н. А. Поклонский

Сергей Александрович Вырко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории физики электронных материалов кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета

Александр Игоревич Ковалев, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; старший преподаватель кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета

Литература

  1. Brudnyi VN. Charge neutrality in semiconductors: defects, interfaces, surface. Russian Physics Journal. 2013;56(7):754 –756. DOI: 10.1007/s11182-013-0095-4.
  2. Yamaguchi M. Radiation-resistant solar cells for space use. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2001;68(1):31–53. DOI: 10.1016/S0927-0248(00)00344-5.
  3. Poklonski NA, Vyrko SA, Zabrodskii AG. 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;42(12):1388 –1394. DOI: 10.1134/S1063782608120038.
  4. Poklonski NA, Kovalev AI, Vyrko SA, Vlasov AT. Semiconductor diode with hopping migration of electrons via point defects of crystalline matrix. Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus. 2017;61(3):30 –37. Russian.
  5. Poklonski NA, Kovalev AI, Vyrko SA. Drift and diffusion of electrons via two-level (triple-charged) point defects in crystalline semiconductors. Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus. 2014;58(3):37– 43. Russian.
  6. Poklonski NA, Vyrko SA, Kovalev AI. Stationary hopping migration of bipolarons via «soft» point defects in partly disordered semiconductors. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics series. 2014;3:91–96. Russian.
  7. Pollak M. Hopping – past, present and future (?). Physica Status Solidi B. 2002;230(1):295–304. DOI: 10.1002/1521-3951(200203)230:1<295::AID- PSSB295>3.0.CO;2-C.
  8. Shlimak I. Is hopping a science? Selected topics of hopping conductivity. Singapore: World Scientific; 2015. 156 p. DOI: 10.1142/9522.
  9. Poklonski NA, Vyrko SA, Kovalev AI, Dzeraviaha AN. Drift-diffusion model of hole migration in diamond crystals via states of valence and acceptor bands. Journal of Physics Communications. 2018;2:015013. DOI: 10.1088/2399-6528/aa8e26.
  10. Korn GA, Korn TM. Mathematical handbook for scientists and engineers: definitions, theorems, and formulas for reference and review. New York: Dover; 2000. xx+1130 p.
  11. Arnol’d VI. Ordinary differential equations. Berlin: Springer; 1992. 334 p. Russian edition: Arnol’d VI. Obyknovennye differentsial’nye uravneniya. Moscow: Moskovskii tsentr nepreryvnogo matematicheskogo obrazovaniya; 2014. 341 p.
  12. Farlow SJ. An introduction to differential equations and their applications. New York: Dover; 2006. 640 p. (Dover Books on Mathematics).
  13. Poklonskii NA, Lopatin SYu. Stationary hopping photoconduction among multiply charged impurity atoms in crystals. Physics of the Solid State. 1998;40(10):1636 –1640. DOI: 10.1134/1.1130623.
  14. Manifacier JC, Henisch HK. The concept of screening length in lifetime and relaxation semiconductors. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1980;41(11):1285–1288. DOI: 10.1016/0022-3697(80)90166-3.
  15. Warner RM. Normalization in semiconductor problems. Solid-State Electronics. 1985;28(5):529–530. DOI: 10.1016/0038-1101(85)90118-2.
Опубликован
2020-02-05
Ключевые слова: кристаллический полупроводник, трехзарядные точечные дефекты, прыжки одиночных электронов, прыжки пар электронов, длина экранирования, длина диффузии
Поддерживающие организации Работа поддержана программой «Физматтех» Республики Беларусь, Белорусским республиканским фондом фундаментальных исследований (грант № Ф19РМ-054), а также рамочной программой Европейского союза по развитию научных исследований и технологий «Горизонт-2020» (грант № H2020-MSCA-RISE-2019-871284 SSHARE).
Как цитировать
Поклонский, Н. А., Деревяго, А. Н., Вырко, С. А., & Ковалев, А. И. (2020). Миграция электронов по трехзарядным дефектам кристаллической матрицы. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 41-53. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-1-41-53
Выпуск
№ 1 (2020): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2020 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).