[PDF]    https://doi.org/10.3952/physics.v62i3.4798

Open access article / Atviros prieigos straipsnis
Lith. J. Phys. 62, 148–160 (2022)

GENERATION-RECOMBINATION NOISE AND OTHER FEATURES OF DOPED SILICON IN A WIDE TEMPERATURE RANGE
Vilius Palenskis, Justinas Glemža, and Jonas Matukas
Institute of Applied Electrodynamics and Telecommunications, Vilnius University, Saulėtekio 3, 10257 Vilnius, Lithuania
Email: jonas.matukas@ff.vu.lt; vilius.palenskis@ff.vu.lt; justinas.glemza@ff.vu.lt

Received 6 July 2022; revised 12 September 2022; accepted 12 September 2022

The characteristics of the generation-recombination (g-r) process in silicon are investigated in a temperature range from 25 to 360 K. In the case of shallow donors, it is shown that the free electron density strongly depends on temperature: only 20% of donors are ionized at shallow donor densities of about 1017 cm–3 at liquid nitrogen temperature. The maximum of the variance of generation-recombination noise due to the free electron density fluctuations for a silicon sample with shallow donors strongly increases with donor density and shifts with temperature. It is demonstrated that the relative variance of free electron number fluctuations is always equal to 0.5 at low temperatures. The normalized generation-recombination noise spectra are depicted in a very wide frequency range. There is also a detailed investigation of the generation-recombination noise characteristics of an acceptor-partially compensated silicon sample with two donor levels. In this work, the main focus is on the characteristics of silicon doped by shallow donors as it is extremely widely used.
Keywords: free electron density fluctuations, generation-recombination noise, shallow donors, silicon
PACS: 72.70.+m, 72.20.Jv


GENERACINIS-REKOMBINACINIS TRIUKŠMAS IR KITOS LEGIRUOTO SILICIO YPATYBĖS PLAČIAME TEMPERATŪROS INTERVALE
Vilius Palenskis, Justinas Glemža, and Jonas Matukas

Vilniaus universiteto Taikomosios elektrodinamikos ir telekomunikacijų institutas, Vilnius, Lietuva
Silicio generacinio-rekombinacinio triukšmo charakteristikos yra ištirtos temperatūros intervale nuo 25 iki 360 K. Ypač didelis dėmesys skirtas siliciui su sekliomis donorinėmis priemaišomis, esant labai plačiam donorų tankiui. Parodyta, kad laisvųjų elektronų tankis stipriai priklauso nuo temperatūros net sekliųjų donorų (donorinio lygmens energija lygi 0,05 eV)atveju. Seklieji donorai, esant jų tankiui mažesniam nei 1013 cm–3, skysto azoto temperatūroje yra visiškai jonizuoti, o sekliųjų donorų, kurių tankis yra apie 1017 cm–3, tik apie 20 % yra jonizuoti. Esant mažam sekliųjų donorų tankiui, laisvieji elektronai užpildo energijos lygmenis, esančius arti laidumo juostos dugno. Didėjant donorų tankiui, dalis elektronų turi būti sužadinami į aukštesnius laidumo juostos energijos lygmenis, todėl jiems sužadinti reikalinga aukštesnė temperatūra. Taip pat parodyta, kad pereinamojoje link išsigimusių elektroninių dujų srityje standartinis sąryšis (1) ne visai tiksliai parodo laidumo juostos elektronų tankio priklausomybę nuo sekliųjų donorų tankio. Pateikta patikslinta išraiška (13), kuri galioja esant bet kokiam sekliųjų donorų tankiui.
Minėtos sekliųjų donorų ypatybės pasireiškia ir generacinio-rekombinacinio triukšmo charakteristikose. Generacinio-rekombinacinio triukšmo dispersijos maksimumas dėl laisvųjų elektronų tankio fliuktuacijų silicyje, kylant sekliųjų donorų tankiui nuo 1013 iki 1017 cm–3, stipriai didėja (apie 4 eiles), ir šis maksimumas pasislenka temperatūros skalėje nuo 50 iki 125 K. Parodyta, kad laisvųjų elektronų skaičiaus N fliuktuacijų dispersija (〈ΔN2〉/N0) žemoje temperatūroje visada lygi 0,5, ir tai rodo, kad žemoje temperatūroje laisvųjų elektronų skaičiaus fliuktuacijos apibūdinamos Puasono (Poisson) tikimybių pasiskirstymo dėsniu.
Normuoto generacinio-rekombinacinio triukšmo spektrų [SN(f)/N02 × f] dažninės priklausomybės yra pateiktos intervale nuo 1 iki 1010 Hz temperatūros srityje nuo 25 iki 360 K. Taip pat pateiktos silicio generacinio-rekombinacinio triukšmo charakteristikos, esant dviem donoriniams lygmenims, įskaitant kompensavimą akceptoriais.


References / Nuorodos

[1] J. Machlup, Noise in semiconductor: spectrum of two parameter random signal, J. Appl. Phys. 25, 341−343 (1954),
https://doi.org/10.1063/1.1721637
[2] A. van der Ziel, Fluctuation Phenomena in Semiconductors (Butterworths Scientific Publications, London, 1969)
[3] J.A. Copeland, Semiconductor impurity analysis from low-frequency noise spectra, IEEE Trans. Electron. Dev. 18(1), 50−53 (1971),
https://doi.org/10.1109/T-ED.1971.17142
[4] G. Bosman and R.J.J. Zijlstra, Generation-recombination noise in p-type silicon, Solid State Electron. 25(4), 273−280 (1982),
https://doi.org/10.1016/0038-1101(82)90135-6
[5] F. Hofman, R.J.J. Zijlstra, J.M.B. de Freitas, and J.C.M. Henning, Generation-recombination noise in AlxGa1-xAs, Solid State Electron. 34(1), 23−32 (1991),
https://doi.org/10.1016/0038-1101(91)90196-6
[6] Z. Šoblickas and V. Palenskis, Noise spectroscopy of impurity levels and 1/f noise in high-resistance silicon, Lietuvos fizikos rinkinys - Litovskii fizicheskii sbornik 25, 88−97 (1985) [in Russian]
[7] L. Varani, L. Reggiani, V. Mitin, K.M. Van Vliet, and T. Kuhn, Nonexponential generation-recombination dynamics in doped semiconductors as a possible source of high-frequency 1/f noise, Phys. Rev. B 48, 4405−4411 (1993),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.4405
[8] A. van der Ziel, Noise: Sources, Characterization, Measurement (Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New York, 1970)
[9] A. van der Ziel, Noise in Solid State Devices and Circuits (John Wiley & Sons, Inc., New York, 1986)
[10] C.F. Hiat, A. van der Ziel, and K.M. Van Vliet, Generation-recombination noise produced in the channel of JFET's, IEEE Trans. Electron. Dev. 22(8), 614−616 (1975),
https://doi.org/10.1109/T-ED.1975.18187
[11] J. Matukas and V. Palenskis, Generation-recombination noise in silicon p+-n-n+ junction with strongly compensated n-region, Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov 18, 1721−1723 (1984) [in Russian]
[12] V. Mitin, L. Reggiani, and L. Varani, in: Noise and Fluctuations Control in Electronic Devices, ed. A.A. Balandin (American Scientific Publishers, California, 2002)
[13] V. Palenskis, J. Matukas, S. Pralgauskaitė, J.G. Simmons, S. Smetona, and R. Sobiestianskas, Experimental investigations of the effect of the mode-hopping on the noise properties of InGaAsP Fabry-Pérot multiple-quantum well laser diodes, IEEE Trans. Electron. Dev. 50(2), 366–371 (2003),
https://doi.org/10.1109/TED.2003.809430
[14] V. Palenskis, J. Matukas, J. Vyšniauskas, S. Pralgauskaitė, H. Shtrikman, D. Seliuta, I. Kašalynas, and G. Valušis, Analysis of noise characteristics of GaAs tunnel diodes, Fluct. Noise Lett. 12(3), 1350014 (2013),
https://doi.org/10.1142/S0219477513500144
[15] J. Glemža, V. Palenskis, S. Pralgauskaitė, J. Vyšniauskas, and J. Matukas, Properties of the surface generation-recombination noise in 1.94 μm GaSb-based laser diodes, Infrared Phys. Technol. 91, 101–106 (2018),
https://doi.org/10.1016/j.infrared.2018.04.002
[16] M.J. Kirton and M.J. Uren, Noise in solid-state microstructures: A new perspective on individual defects, interface states and low-frequency (1/f) noise, Adv. Phys. 38(4), 367–468 (1989),
https://doi.org/10.1080/00018738900101122
[17] V. Palenskis, K. Maknys, A. Stadalnikas, Z. Šoblickas, and A. Utorovičius, in: Proceedings of the 7th Vinius Conference on Fluctuation Phenomena in Physical Systems, ed. V. Palenskis (VU Press, Vilnius, 1994)
[18] V. Palenskis, The charge carrier capture–emission process – the main source of the low-frequency noise in homogeneous semiconductors, Lith. J. Phys. 56(4), 200–206 (2016),
https://doi.org/10.3952/physics.v56i4.3416
[19] V. Palenskis, J. Vyšniauskas, J. Glemža, and J. Matukas, Charge carrier mobility fluctuations due to the capture-emission process, Lith. J. Phys. 58(3), 261–266 (2018),
https://doi.org/10.3952/physics.v58i3.3814
[20] J.S. Blakemore, Semiconductor Statistics (Pergamon Press, Oxford, New York, 1962)
[21] T.N. Morgan, Broadening of impurity bands in heavily doped semiconductors, Phys. Rev. 139, A343 (1965),
https://doi.org/10.1103/PhysRev.139.A343
[22] G.L. Pearson and J. Bardeen, Electrical properties of pure silicon and silicon alloys containing boron and phosphorus, Phys. Rev. 75(5), 865–883 (1949),
https://doi.org/10.1103/PhysRev.75.865
[23] N. Kobayashi, S. Ikehata, S. Kobayashi, and W. Sasaki, Specific heat study of heavily P doped Si, Solid State Commun. 24(1), 67–70 (1977),
https://doi.org/10.1016/0038-1098(77)90567-1
[24] F.J. Morin and J.P. Maita, Electrical properties of silicon containing arsenic and boron, Phys. Rev. 96(1), 28–35 (1954),
https://doi.org/10.1103/PhysRev.96.28