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Thermal emission and capture of electrons at sulfur centers in silicon

1971; Elsevier BV; Volume: 14; Issue: 1 Linguagem: Inglês

10.1016/0038-1101(71)90047-5

1879-2405

Laurence Rosier, C. T. Sah,

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design

The electron thermal emission and capture rates and the electron impact ionization rate of trapped electrons at the sulfur donor centers in the depletion region of reverse biased silicon p-n junctions have been measured by the dark capacitance and current transient methods. Least square fits of the low field data give the following electron thermal emission rates: en0t = 1.64 × 1010(T/300°K)2exp [−276/kT] sec for the neutral center and en−1t = 1.03 × 1012 (T/300°K)2 exp [−528/kT] sec for the singly ionized center where kT is in meV. The thermal activation energies are then 276 and 528 meV respectively. The hole emission rates are much smaller and not determined. The electric field dependences of the thermal emission rates of electrons are considerably smaller than that predicted by the Poole-Frenkel theory applied to the ground state: en0t increased by 1.5 at 130°K from 0.2 to 1.0 × 105 V/cm and en−1t by 3 at 200°K. Electron capture coefficients are obtained from capacitance transient during steady state electron injection into the junction depletion layer either by transistor emitter or by optical generation at the surface next to the junction. The electron capture rate at the doubly charged center, cn−2t, decreases from 5 × 10−7 cm3/sec at 3 × 104 V/cm to 10−7 cm3/sec at 1.0 × 105 V/cm with essentially no temperature dependence. The electron capture rate at the singly ionized centers, cn−1t, obtained at 82°K was about two orders of magnitude smaller than cn−2t but had essentially the same electric field dependence. The electron impact ionization rate of trapped electrons at the neutral centers and its electric field dependences were also determined at 82°K. L'émission thermique d'électrons et les taux de capture et le taux d'ionisation de percussion d'électrons prisonniers aux centres donneurs de soufre dans la région d'épuisement de jonctions p-n au silicium à polarisation inverse ont été mesurés par les méthodes transitoires de courant et de capacité noires. Les formes carrées minimum des données en champ faible donnent les taux d'émission thermique d'électrons suivants: en0t = 1,64 × 1010(T/300°K)2 exp [−276/kT] sec pour le centre neutre, et en−1t = 1,03 × 1012(T/300°K)2exp [−528/kT] sec pour le centre ionisé simple où kT est en meV. Les taux d'émission de trous sont bien plus petits et ne sont pas déterminés. Les dépendances du champ électrique des taux d'émission thermique des électrons sont bien inférieurs à ceux prédits par la théorie Poole-Frenkel appliquée à l'état de terre: en0t est aggrandi de 1,5 à 130°K de 0,2 à 1,0 × 105 V/cm et en−1t de 3 à 200°K. Les coefficients de capture d'électrons sont obtenus à partir de la transition de capacité pendant l'injection d'électrons à l'état équilibré dans la zone d'épuisement de la jonction soit par émetteur transistorisé soit par génération optique à la surface adjacente à la jonction. Le taux de capture d'électrons au centre doublement chargé, cn−2t, décroit de 5 × 10−7 cm3/sec à 3 × 104 V/cm à 10−7 cm3/sec à 1.0 × 105 V/cm pratiquement sans être dépendant de la température. Le taux de capture d'électrons aux centres simplement ionisés, cn−1t, obtenu à 82°K était d'environ deux ordres de grandeur inférieur à cn−2t mais était semblablement dépendant du champ électrique. Il a également été déterminéà 82°K le taux d'ionisation de percussion d'électrons prisonniers aux centres neutres et leur dépendance du champ électrique. Mittels Kapazitätsmessung und Beobachtung des Zeitverhaltens des Stromflusses wurden die thermischen Emissions- und Einfangraten sowie die Ionisationsraten eingefangener Elektronen für Schwefeldonatoren im Bereich der Verarmungszone eines in Sperrichtung gepolten Silizium-pn-Überganges bestimmt. Die Methode der kleinsten quadratischen Abweichung liefert für die Emissionsrate des neutralen Donators en0t = 1,64 . 1010. (T/300 K)2 exp (−276/kT) sec und für den Fall einfacher Ionisation en−1t = 1,03 . 1012 (T/300 K)2 exp (−528/kT) sec, wobei kT in Einheiten von meV einzusetzen ist. Die thermischen Aktivierungsenergien betragen dementsprechend 276 und 528 meV. Die Emissionsraten für Löcher sind geringer und wurden nicht bestimmt. Die Abhängigkeit der Emissionsraten vom elektrischen Feld ist wesentlich kleiner als sie die Poole-Frenkel-Theorie liefert: en0t ist größer um einen Faktor 1,5 bei 130 K (zwischen 0,2 und 1,0 . 105 V/cm), und en−1t um einen Faktor 2 bei 200 K. Die Einfangkoeffizienten für Elektronen wurden bei einer stationären Elektroneninjektion in die Verarmungsschicht entweder über den Emitter eines Transistors oder durch optische Generation in der dem pn-Übergang nächstgelegenen Oberfläche aus dem Zeitverhalten der Kapazität bestimmt. Die Einfangrate für den doppelt geladenen Donator cn−2t nimmt unabhängig von der Temperatur von 5 . 10−7 cm3/s bei 3 . 104 V/cm auf 1 . 107 cm2/s bei 1 . 105 V/cm ab. Die Einfangrate cn−1t für den einfachen geladenen Donator lag bei 82 K etwa zwei Größenordnungen unter dem Wert für cn−2t; sie zeigte jedoch keine Abhängigkeit vom elektrischen Feld. Die Stoßionisationsrate für eingefangene Elektronen Zentren sowie ihre Feldabhängigkeit wurden ebenfalls bei 82 K ermittelt.