Низкоразмерные МДП структуры

Данный класс низкоразмерных структур позволяет получить тот же эффект, что наблюдается в наноплёнках и квантовых проводах. Рассмотрим принцип работы данных структур на примере МДП транзистора (рисунок 4.2).

Рис. 4.2. Схема образования инверсионного слоя на поверхности кремния. а)1,3 — низкоомные электроды сток-исток, 2 — затвор, 4 — инверсионный n-канал, б) схема энергетических зон вблизи границы раздела диэлектрик—полупроводник: E_c - дно зоны проводимости, E_v — потолок валентной зоны, z_d — область обеднения, E_F — уровень Ферми в полупроводнике, eV_g - потенциал на затворе; E a - энергия акцепторного уровня

На кремниевой подложке p-типа находится слой диэлектрика (SiO₂). На диэлектрик нанесен металлический электрод, называемый затвором. Если на затвор подать отрицательное относительно объема полупроводника напряжение, то вблизи поверхности образуется область положительного пространственного заряда, т.е обогащенный основными носителями заряда слой. Если же на затвор подано положительное напряжение, то зоны вблизи поверхности изгибаются вниз. Образуется отрицательный индуцированный заряд за счет ухода дырок валентной зоны или с нейтральных акцепторов из приповерхностной области: возникает обедненный слой. При увеличении положительного напряжения на затворе V_g число отрицательно заряженных неподвижных акцепторов возрастает, увеличивается изгиб зон и край зоны проводимости опускается ниже уровня Ферми. В возникающей потенциальной яме появляются электроны - неосновные носители. Когда поверхностная плотность электронов превышает концентрацию дырок, то говорят, что произошла инверсия поверхности, а образовавшийся слой электронов называют инверсионным. Этот слой отделен от объема полупроводника областью отрицательного заряда - так называемым обедненным слоем шириной z_d (см.Рис.4.2). Рассматривая металлический затвор и инверсионный слой как две обкладки плоского конденсатора, легко заключить, что двумерная плотность электронов в слое n_s (плотность состояний электронов на единицу площади двумерного электронного газа) будет пропорциональна напряжению на затворе:

где κ_d - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; V₀ - пороговое значение напряжения, соответствующее открытию инверсионного канала, т.е. появлению в нем электронов.

Точно также на поверхности полупроводника n-типа может образоваться инверсионный дырочный слой, отделенный от объема областью положительного фиксированного заряда. В таких структурах плотность двумерных электронов можно варьировать от 10¹¹ до 10¹³ см^-2. При больших концентрациях наступает пробой диэлектрика, а концентрации менее 10¹¹ см^-2 не достижимы, так как из-за несовершенства границы радела диэлектрик-полупроводник все носители локализуются. Толщина поверхностного слоя, заполненного электронами, составляет обычно 3-5 нм, а обедненного до 1 мкм. Случайный потенциал, связанный с заряженными примесями и структурными несовершенствами, ограничивает подвижность носителей заряда в инверсионных слоях. Максимальные величины подвижностей достигают значений 5 м²/Вс.

Инверсионный слой является аналогом тонкой плёнки, и в нём наблюдаются аналогичные квантовые эффекты. Предположим, что мы ограничим толщину МДП транзистора несколькими атомными слоями. Тогда при подачи напряжения на затвор в инверсионном слое будет наблюдаться эффекты аналогичные квантовому проводу. На этом принципе созданы гибридные системы, реализующие квантовые провода на основе инверсионных слоёв.

Дата добавления: 2014-01-11