Modeling the Destruction of the p-n Junction by Electromagnetic Pulses

Abstract

У рамках теорії існування густини та методів молекулярної динаміки у статті розглядається процес руйнування кремнієвого p-n-переходу під дією електромагнітного імпульсу (термічний ефект). Зі збільшенням амплітуди електромагнітного імпульсу виникає нелінійність рухливості квазічастинок і відбуваються процеси ударної іонізації, що приводять до утворення різноманітних дефектів у кристалічній решітці напівпровідника. Показано еволюцію виникнення точкових дефектів у напівпровіднику шляхом термічної деформації, а також подальше збільшення їх концентрації. Показано, що первинне проходження електромагнітного імпульсу породжує дефекти в бездефектному кристалі. Подальший термічний вплив імпульсу приводить до збільшення відхилення атомів та накопичення дефектів і руйнування структури. З підвищенням температури p-n-перехід втрачає свої випрямляючі властивості і спостерігається миттєве збільшення величини зворотного струму за рахунок виникнення струму іонізації, який збігається за напрямком зі струмом насичення. Виявлено, що термічна деформація суттєво спотворює профіль p-n-переходу. Встановлено, що руйнування напівпровідникової структури відбувається в бездефектній частині кристала. У напівпровідниках, легованих Li або Sr, час руйнування p-n-переходу збільшується за рахунок заселення рухливими іонами Li або Sr утвореними вакансіями кремнію під час теплової дії імпульсу. Отримані результати можуть бути корисними при розробці напівпровідникових структур, стійких до зовнішнього впливу електромагнітного імпульсу.

Within the framework of the density functional theory and methods of molecular dynamics, the process of destruction of a silicon p-n junction at the influence of an electromagnetic pulse (thermal effect) is considered. With an increase in the amplitude of the electromagnetic pulse, a nonlinearity of the mobility of quasiparticles arises and impact ionization processes occur, leading to the formation of various defects in the crystal lattice of the semiconductor. The evolution of the occurrence of point defects in a semiconductor by thermal deformation, as well as a further increase in their concentration, is shown. It is demonstrated that the primary passage of an electromagnetic pulse generates defects in a defect-free crystal. Further thermal impact of the pulse leads to an increase in the deviation of atoms, leading to the accumulation of defects and the destruction of the structure. With an increase in temperature, the p-n junction loses its rectifying properties and an instantaneous increase in the magnitude of the reverse current is observed due to the occurrence of an ionization current, which coincides in direction with the saturation current. It is revealed that thermal deformation significantly distorts the p-n junction profile. It was found that the destruction of the semiconductor structure occurs in the defect-free part of the crystal, and the defects stimulate destruction. In semiconductors doped with Li or Sr, the destruction time of the p-n junction increases due to the occupation of mobile Li or Sr ions by the formed silicon vacancies during the thermal action of the pulse. The results obtained can be useful in the development of semiconductor structures resistant to external influences of an electromagnetic pulse.