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

Abstract

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 σdc ≈ 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 σdc ≈ 1 ∙ 10^−11; 1 ∙ 10^−10; 1 ∙ 10^−9 (Ом ∙ см)^−1 при температуре 300 К. С увеличением электропроводности σdc 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.