Modeling the Breakdown of the p-n Junction Based on GaAs Using Molecular Dynamics Method

Abstract

У цій статті представлені результати моделювання пробою електронно-діркового контакту на основі GaAs з використанням теорії функціоналу густини та методу молекулярної динаміки. Електричні характеристики моделювалися за допомогою методів Слейтера-Костера та нерівноважних функцій Гріна. Показано, що наявність початкових вакансійних дефектів та пар Френкеля в об’ємі напівпровідникового кристалу сприяє релаксації механічних напружень, що створюються термічними деформаціями. Визначено, що електромагнітна складова імпульсу призводить до появи вигинів у напівпровідниковій структурі, що супроводжуються значними відхиленнями параметрів кристалічної решітки від норми. При розгляді одночасної дії теплової та електромагнітної складових імпульсу ці вигини згладжуються, ймовірно, через релаксацію механічних напружень через початкові та теплові вакансійні дефекти. Виявлено, що вразливими ділянками напівпровідникового приладу є точки з’єднання кристалічної структури з контактами, а також межа між p- та n-напівпровідниками. Аналіз електричних характеристик показує, що ще до пробою напівпровідниковий діод втрачає свої випрямні властивості, а передпробійний стан діода супроводжується значним імпульсним збільшенням зворотного струму, що надалі призводить до перегріву та теплового пробою.

This paper presents the results of a modeling study of the breakdown of the GaAs-based electron-hole junction using density functional theory and molecular dynamics method. Electrical characteristics were simulated using Slater-Koster and non-equilibrium Green's function methods. It is shown that the presence of initial vacancy defects and Frenkel pairs in the volume of the semiconductor crystal contributes to the relaxation of mechanical stresses created by thermal deformation. It is determined that the electromagnetic component of the pulse leads to the appearance of bends in the semiconductor structure, accompanied by significant deviations of the parameters of the crystal lattice from the norm. When considering the simultaneous action of thermal and electromagnetic components of the pulse, these bends are smoothed out, presumably due to the relaxation of mechanical stresses through initial and thermal vacancy defects. It is revealed that vulnerable areas of the semiconductor device are the junction points of the crystalline structure with the contacts, as well as the boundary between p- and n-semiconductors. Analysis of electrical characteristics shows that even before the breakdown, the semiconductor diode loses its rectifying properties, and the pre-breakdown state of the diode is accompanied by a significant impulsive in-crease in reverse current, further leading to overheating and thermal breakdown.