МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ КРЕМНИЕВОЙ N-I-P НАНОСТРУКТУРЫ
Аннотация
Распределение ионизованных примесей, электронов, дырок определяет структуру, физические свойства, эксплуатационные характеристики полупроводниковых приборов. Роль поверхностных электронных состояний отрицательна, степень их влияния на характеристики прибора зависит от особенностей структуры. Уменьшение размеров полупроводниковых приборов – современная тенденция совершенствования электроники. Влияние поверхностных состояний на свойства наноразмерных объектов возрастает при уменьшении их размеров. Объектом исследования является электрическое поле кремниевой n-i-p наноструктуры. Цель исследования – анализ влияния поверхностных состояний на внутреннее электрическое поле кремниевой n-i-p наноструктуры. Задачи исследования: 1 – Рассчитать численно с учетом поверхностных состояний потенциал и напряжённость электрического поля, концентрацию доноров и акцепторов в кремниевой n-i-p наноструктуре с диффузионным профилем легирования. 2 – Определить влияние толщины n-i-p наноструктуры и плотности поверхностных состояний на потенциал и напряжённость электрического поля. 3 – Определить состав области пространственного заряда n-i-p наноструктуры с минимизированным влиянием поверхностных состояний. Методика расчёта основана на численном решении уравнения Пуассона с учётом поверхностных состояний и граничными условиями, включающими условие общей электронейтральности образца. В результате получены распределения потенциала и напряжённости электрического поля для различных значений толщины наноструктуры и плотности поверхностных состояний. Показано, что заряженные поверхностные состояния изменяют потенциал и напряженность электрического поля не только в поверхностной области, но и в объеме наноструктуры. Значение напряженности в базе возрастает с уменьшением её толщины, это значение уменьшается, если плотность поверхностных состояний превышает 1013 см–2. Снижение плотности поверхностных состояний до 1012 см–2 устраняет созданный ими поверхностный потенциальный барьер. Область пространственного заряда состоит из 5 частей: область положительного заряда, созданного ионизованными донорами, область, обогащённая электронами, область, обеднённая носителями заряда, область, обогащённая дырками, область отрицательного заряда, созданного ионизованными акцепторами
Список литературы
1. Danilenko A.A., Ivanov A.D., Ivanov V.L., Marochkin V.V., Mikhaylov N.I., Perepelovskiy V.V. Kharak-teristiki pin-struktury s diskretno metallizirovannoy poverkhnost'yu i-oblasti [Characteristics of a pin structure with a discretely metallized surface of the i-region], Izvestiya vuzov Rossii. Radioelektronika [Journal of the Russian Universities. Radioelectronics], 2020, Vol. 23, No. 1, pp. 41-51.
2. Kochemasov V., Rautkin Yu. Integral'nye SVCh-pereklyuchateli [Integrated microwave switches], ELEKTRONIKA: Nauka, Tekhnologiya, Biznes [ELECTRONICS: Science, Technology, Business], 2018, No. 4 (00175), pp. 122-127.
3. Reznikov V., Gubyrin L. Vysokochastotnye i SVCh p-i-n-diody [High-frequency and microwave p-i-n-diodes], Komponenty i tekhnologii [Components and Technologies], 2000, No. 3, pp. 1-2.
4. Yafarov R.K. Vliyanie vstroennogo poverkhnostnogo potentsiala na VAKh kremnievykh MDP struktur [Influence of built-in surface potential on the volt-ampere characteristic characteristics of silicon MIS structures], Mikroelektronika [Microelectronics], 2019, Vol. 48, No. 2, pp. 155-159.
5. Aleksandrov O.V. Vliyanie intensivnosti ioniziruyushchego oblucheniya na otklik MOP-struktur [Effect of ionizing radiation intensity on the response of MOS structures], Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Physics and Technology of Semiconductors], 2021, Vol. 55, Issue 2, pp. 152-158.
6. Volkovskiy Yu.A., Seregin A.Yu., Folomeshkin M.S., Prosekov P.A., Pavlyuk M.D., Pisarevskiy Yu.V., Blagov A.E., Koval'chuk M.V. Issledovanie sostoyaniya pripoverkhnostnogo sloya polirovannykh krem-nievykh podlozhek metodom rentgenovskoy reflektometrii v zavisimosti ot metodov ikh ochistki [Study of the state of the near-surface layer of polished silicon substrates by X-ray reflectometry depending on their cleaning methods], Poverkhnost'. Rentgenovskie, sinkhrotronnye i neytronnye issledovaniya [Sur-face. X-ray, Synchrotron and Neutron Studies], 2021, No. 9, pp. 40-48.
7. Yurov V.M., ZHanabergenov T., Guchenko S.A. Tolshchina poverkhnostnogo sloya tipichnykh po-luprovodnikov [Surface layer thickness of typical semiconductors], The scientific heritage, 2020, No. 43, pp. 20-23.
8. Shalimova K.V. Fizika poluprovodnikov [Physics of semiconductors]. Moscow: Lan', 2010, 400 p.
9. Bogatov N.M. Chislennoe reshenie uravneniya Puassona v n-p perekhode s uchetom poverkhnostnykh sostoyaniy [Numerical solution of the Poisson equation in an n-p junction taking into account surface states], Ekologicheskiy vestnik nauchnykh tsentrov Chernomorskogo ekonomicheskogo sotrudnichestva [Ecological Bulletin of Scientific Centers of the Black Sea Economic Cooperation], 2024, Vol. 21, No. 3, pp. 61-69.
10. Bogatov N.M., Volodin V.S., Grigor'yan L.R., Kovalenko M.S. Vliyanie poverkhnostnykh sostoyaniy na elektricheskoe pole n-p perekhoda [Influence of surface states on the electric field of an n-p junction], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2024, No. 3,
pp. 266-275.
11. Shchuka A.A. Nanoelektronika [Nanoelectronics]. Moscow: Yurayt, 2025, 297 p.
12. Gurtov V.A. Tverdotel'naya elektronika [Solid-state electronics]. Moscow: Tekhnosfera, 2008, 512 p.
13. Berikashvili V.Sh., Vorob'ev S.A. Tverdotel'naya elektronika i mikroelektronika [Solid-state electronics and microelectronics]. Moscow: KnoRus, 2023, 301 p.
14. Usanov D.A., Gorbatov S.S., Kvasko V.YU., Fadeev A.V., Kalyamin A.A. Prostranstvennye ostsillyatsii elektricheskogo polya i plotnosti zaryada v kremnievom p-i-n-diode [Spatial oscillations of the electric field and charge density in a silicon p-i-n diode], Pis'ma v ZhTF [Letters to the Journal of Technical Physics], 2014, Vol. 40, Issue 21, pp. 104-110.
15. Chai J.Y.-H., Wong B.T., Juodkazis S. Black-silicon-assisted photovoltaic cells for better conversion efficiencies: a review on recent research and development efforts, Materials Today Energy, 2020,
Vol. 18, 100539, pp. 1-23.
16. Savin H., Repo P., von Gastrow G., Ortega P., Calle E., Garín M., Alcubilla R. Black silicon solar cells with interdigitated back-contacts achieve 22.1% efficiency, Nat Nanotechnol, 2015, Vol. 10 (7), 624-8, pp. 1-12.
17. Smirnov V.I. Fizika poluprovodnikovykh priborov [Physics of semiconductor devices]. Ul'yanovsk: UlGTU, 2022, 203 p.
18. Starosel'skiy V.I. Fizika poluprovodnikovykh priborov mikroelektroniki [Physics of semiconductor devices of microelectronics]. Moscow: Yurayt, 2025, 463 p.
19. Durnakov A.A. Fizicheskie osnovy mikro- i nanoelektroniki [Physical Foundations of micro- and nanoe-lectronics]. Ekaterinburg: Izd-vo Ural. un-ta, 2020, 247 p.
20. Shobitha G.S., Ghivela G.C. Potentiality of Avalanche Transit Time Devices for Biomedical Applica-tions: A Comprehensive Review, Biomedical Materials & Devices, 2025. Available at: https://doi.org/10.1007/s44174-025-00339-9.
21. Wang B., Mu J. High-speed Si-Ge avalanche photodiodes, PhotoniX, 2022, Vol. 3, Issue 8, pp. 1-22.
22. Fizika poluprovodnikovykh preobrazovateley [Physics of semiconductor converters], ed. by
A.N. Saurova, S.V. Bulyarskogo. Moscow: RAN, 2018, 280 p.
23. Saurov M.A. Optimizatsiya parametrov preobrazovatelya izlucheniya na osnove kremnievogo p–i–n-dioda [Optimization of parameters of a radiation converter based on a silicon p–i–n diode], Izvestiya vuzov. Elektronika [Bulletin of Universities. Electronics], 2023, Vol. 28, Issue 4, pp. 431-440.
24. Andrianov A.V. Generatsiya teragertsevogo izlucheniya v poluprovodnikakh [Generation of Terahertz Radiation in Semiconductors], Fizika tverdogo tela [Solid State Physics], 2023, Vol. 65, Issue 10,
pp. 1633-1671.
