Низкочастотный конденсатор с прыжковой электропроводностью рабочего вещества (на примере a-Si:H)

Предложены структурная и электрическая схемы конденсатора на основе слоя a-Si:H (аморфного гидрогенизированного кремния) толщиной 3 мкм, отделенного от металлических обкладок диэлектрическими прослойками из SiO₂ (диоксида кремния) толщиной 0,3 мкм. Рассматриваются комнатные температуры (T ≈ 300 К), когда в отсутствие подсветки для a-Si:H преобладает прыжковый механизм миграции электронов между точечными дефектами структуры. Для такого конденсатора рассчитаны зависимости электрической емкости от частоты измерительного сигнала ω/2π в диапазоне от 0,1 до 300 Гц для слоя a-Si:H cо стационарной прыжковой электропроводностью σ_dc ≈ 1 ∙ 10⁻¹⁰ (Ом ∙ см)⁻¹. Считалось, что при малосигнальном режиме измерения емкости сквозного переноса электронов между слоем a-Si:H, слоями диэлектрика и обкладками конденсатора нет. Показано, что действительная часть емкости конденсатора уменьшается с увеличением угловой частоты ω, а мнимая часть отрицательна и немонотонно зависит от ω. Уменьшение действительной части емкости конденсатора до геометрической емкости последовательно соединенных оксидных слоев и слоя a-Si:H при увеличении ω обусловлено уменьшением электрического сопротивления конденсатора. Вследствие этого с увеличением ω мнимая часть емкости шунтируется прыжковой электрической проводимостью конденсатора. Определен сдвиг фаз для подаваемого на конденсатор синусоидального электрического сигнала в зависимости от частоты ω/2π в диапазоне 0,1–300 Гц для значений электропроводности слоя гидрогенизировнаного аморфного кремния σ_dc ≈ 1 ∙ 10⁻¹¹; 1 ∙ 10⁻¹⁰; 1 ∙ 10⁻⁹ (Ом ∙ см)⁻¹ при температуре 300 К. С увеличением электропроводности σ_dc слоя a-Si:H минимальное абсолютное значение угла сдвига фаз (≈65°) сдвигается в область высоких частот (от 1 до 100 Гц). Предложенный конденсатор может найти применение в электрических цепях регистрации низкочастотных сигналов для целей биомедицины.

1. Физика гидрогенизированного аморфного кремния: пер. с англ. / под ред. Дж. Джоунопулоса, Дж. Люковски. – Вып. 1. – М.: Мир, 1987. – 368 с.

2. Физика гидрогенизированного аморфного кремния: пер. с англ. / под ред. Дж. Джоунопулоса, Дж. Люковски. – Вып. 2. – М.: Мир, 1988. – 448 с.

3. Электропроводность и структура слоев аморфного кремния / А. А. Андреев [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 1986. – Т. 20, вып. 8. – С. 1469–1475.

4. Technology and applications of amorphous silicon / ed. by R. A. Street. – Berlin: Springer, 2000. – xii + 418 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-04141-3

5. Springer handbook of semiconductor devices / eds.: M. Rudan, R. Brunetti, S. Reggiani. – Cham: Springer, 2023. – xxiv + 1680 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-79827-7

6. Radscheit, H. Ac and Dc conductivity in amorphous silicon-hydrogen films / H. Radscheit, K. G. Breitschwerdt // Solid State Commun. – 1983. – Vol. 47, № 3. – P. 157–161. https://doi.org/10.1016/0038-1098(83)90699-3

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

8. Poklonski, N. A. High-Frequency Capacitor with Working Substance “Insulator-Undoped Silicon-Insulator” / N. A. Poklonski, I. I. Anikeev, S. A. Vyrko // Приборы и методы измерений. – 2022. – Т. 13, № 4. – С. 247–255. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2022-13-4-247-255

9. Прибылов, Н. Н. Электрические потери в высокоомном кремнии с глубокими уровнями / Н. Н. Прибылов, Е. И. Прибылова // Физика и техника полупроводников. – 1996. – Т. 30, вып. 4. – С. 635–639.

10. Radiation effects in semiconductors / ed. K. Iniewski. – Boca Raton: CRC Press, 2011. – xvi + 416 p. https://doi.org/10.1201/9781315217864

11. Claeys, C. Radiation effects in advanced semiconductor materials and devices / C. Claeys, E. Simoen. – Berlin; Heidelberg: Springer, 2002. – xxii + 402 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-04974-7

12. Biosensors and bioelectronics / eds.: C. Karunakaran, K. Bhargava, R. Benjamin. – Amsterdam: Elsevier, 2015. – xii + 332 p. https://doi.org/10.1016/C2014-0-03790-2

13. Plonsey, R. Bioelectricity: a quantitative approach / R. Plonsey, R. C. Barr. – New York: Springer, 2007. – xiv + 528 p. https://doi.org/10.1007/978-0-387-48865-3

14. Bioelectronics: from theory to applications / eds.: I. Willner, E. Katz. – Weinheim: Wiley, 2005. – xviii + 476 p. https://doi.org/10.1002/352760376X

15. Rawlins, J. C. Basic AC circuits / J. C. Rawlins. – Boston: Newnes, 2000. – x + 542 p. https://doi.org/10.1016/B978-075067173-6/50006-7

16. Rahmani-Andebili, M. AC electrical circuit analysis: practice problems, methods, and solutions / M. RahmaniAndebili. – Cham: Springer, 2021. – x + 230 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-60986-3

17. Krupski, J. Interfacial capacitance / J. Krupski // Phys. Status Solidi B. – 1990. – Vol. 157, № 1. – P. 199–207. https://doi.org/10.1002/pssb.2221570119

18. Rahmani-Andebili, M. DC electrical circuit analysis: practice problems, methods, and solutions / M. RahmaniAndebili. – Cham: Springer, 2020. – x + 262 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-50711-4

19. Maddock, R. J. Electronics for engineers / R. J. Maddock, D. M. Calcutt. – Harlow: Longman, 1994. – xiv + 720 p.

20. Impedance spectroscopy: theory, experiment, and applications / eds.: E. Barsoukov, J. R. Macdonald. – Hoboken: Wiley, 2018. – xviii + 528 p. https://doi.org/10.1002/9781119381860

21. Tooley, M. Electronic circuits: fundamentals and applications / M. Tooley. – London: Routledge, 2020. – xii + 510 p. https://doi.org/10.1201/9780367822651

22. Pollak, M. Low-frequency conductivity due to hopping processes in silicon / M. Pollak, T. H. Geballe // Phys. Rev. – 1961. – Vol. 122, № 6. – P. 1742–1753. https://doi.org/10.1103/PhysRev.122.1742

23. Long, A. R. Frequency-dependent loss in amorphous semiconductors / A. R. Long // Adv. Phys. – 1982. – Vol. 31, № 5. – P. 553–637. https://doi.org/10.1080/00018738200101418

24. Castro, R. High-frequency conductivity of amorphous and crystalline Sb2Te3 thin films / R. Castro, A. Kononov, N. Anisimova // Coatings. – 2023. – Vol. 13, № 5. – P. 950 (1–10). https://doi.org/10.3390/coatings13050950

25. Elliott, S. R. A.c. conduction in amorphous chalcogenide and pnictide semiconductors / S. R. Elliott // Adv. Phys. – 1987. – Vol. 36, № 2. – P. 135–218. https://doi.org/10.1080/00018738700101971

26. Климкович, Б. В. Прыжковая электропроводность на переменном токе ковалентных полупроводников с глубокими дефектами / Б. В. Климкович, Н. А. Поклонский, В. Ф. Стельмах // Физика и техника полупроводников. – 1985. – Т. 19, вып. 5. – С. 848–852.

27. AC conductivity of undoped a-Si:H and µc-Si:H in connection with morphology and optical degradation / M. Yamazaki [et al.] // Jpn. J. Appl. Phys. – 1989. – Vol. 28, № 4R. – P. 577–585. https://doi.org/10.1143/JJAP.28.577

28. Chen, B. Development of thick film PECVD amorphous silicon with low stress for MEMS applications / B. Chen, F. E. H. Tay, C. Iliescu // Proc. SPIE. – 2008. – Vol. 7269. – P. 72690M (1–11). https://doi.org/10.1117/12.810441