Структура металл-диэлектрик-полупроводник

В предыдущих разделах ри анализе структуры энергетических зон твердых тел не учитывалось влияние границы кристаллов на энергетический спектр электронов. Однако в силу ряда причин у поверхности кристаллов возникают так называемые поверхностные энергетические состояния, видоизменяющие структуру энергетического спектра носителей заряда вблизи поверхности. Основными причинами, вызывающими появление поверхностных энергетических состояний являются:

- нарушение периодичности потенциала решетки кристалла вследствие ее обрыва у поверхности;

- наличие нескомпенсированных валентных связей у поверхностных атомов;

- искажение потенциала решетки у поверхности, вызванное адсорбированными атомами и всевозможными поверхностными дефектами структуры крм=исталлаю.

Рассмотрим процессы в приповерхностной области полупроводника при контакте его с металлом через диэлектрик (МДП). Если в качестве диэлектрика используется окисел, то такую структуру называют МОП-структура. Данная структура может быть представлена в виде конденсатора.

Рис.4.8 Схема МДП-структуры:

1-Ме; 2-диэлектрик; 3 - полупроводник

Предположим вначале, что поверхностные состояния на границе полупроводника с диэлектриком отсутствуют. В этом случае до включения электрического поля энергетическая диаграмма полупроводника у поверхности не искривлена. При включении поля у поверхности металла и полупроводника, как у всякого конденсатора, накапливаются заряды. Если полупроводник электронного типа (n) и к нему приложен отрицательный потенциал, то у поверхности скапливается отрицательный потенциал избыточных электронов. Энергетическая диаграмма при этом искривляется вниз, как показано на рис. 4.9(а). При другой полярности приложенного напряжения приповерхностный слой будет обедняться, а энергетическая диаграмма искривиться вверх, как показано на рис.4.9(б). Изменение концентрации свободных носителей заряда под действием электрического поля приводит к изменению проводимости вдоль поверхности образца. Это явление принято называть эффектом поля.

Рис. 4.9 Энергетическая диаграмма МДП- структуры

Из рис.4.9 видно, что при приложении к полупроводнику отрицательной полярности напряжения поверхностная проводимость будет неограниченно возрастать. При перемене полярности приложенного напряжения по мере обеднения приповерхностного слоя поверхностная проводимость будет уменьшаться. Однако, по мере уменьшения концентрации электронов у поверхности концентрация дырок будет возрастать. При некотором напряжении концентрация электронов у поверхности будет равна концентрации дырок. При этом, очевидно, удельная электропроводность на поверхности равна собственной электропроводности рассматриваемого полупроводника. Дальнейшее увеличение напряжения приведет к появлению инверсионного дырочного слоя у поверхности. По мере увеличения концентрации дырок у поверхности с ростом приложенного напряжения поверхностная проводимость будет возрастать.

Рис.4.10 Зависимость приращения поверхностной проводимости в зависимости от величины потенциала у поверхности полупроводника (Ge) при различной степени легирования

Таким образом, зависимость поверхностной электропроводности от приложенного напряжения имеет явно выраженный минимум.

На рис.4.10 приведены кривые приращения поверхностной проводимости DG для германия n – типа от величины потенциала у поверхности j₀ для нескольких значений параметра l =n_i/n₀, характеризующего степень легирования полупроводника. Видно, что с увеличением степени легирования минимум кривых приращения смещается влево. Правая ветвь обусловлена в основном электронной проводимостью, а левые ветви – дырочной проводимостью.

В сравнении с зонной диаграммой контакта металл-полупроводник можно отметить, что присутствие окисла способствует уменьшению поля на поверхности полупроводника путем разделения существующих поверхностных зарядов, но никаких других существенных различий в этой части диаграммы, которая относиться к полупроводнику, здесь нет. Однако, по электрическим характеристикам эти две структуры имееют коренное различие. В МОП-структуре свободное движение носителей через окисел невозможно ни в одном из направлений.

Вольт-емкостная характеристика. Важным свойством МОП-структуры является зависимость ее емкости от приложенного напряжения. Эта завмсимость обусловлена тем, что толщина приповерхностного слоя, обедненного или обогащенного носителями заряда, изменяется с изменением приложенного напряжения.

Емкость МОП-структуры в случае обогащения крайне мало изменяется с изменением приложенного напряжения. Иная картина наблюдается при обеднении носителями заряда приповерхностного слоя. В этом случае плотность заряда не может беспредельно увеличиваться и ограничивается плотностью заряда ионизированных атомов примеси qN_i. Поэтому по мере увеличения приложенного напряжения и по мере увеличения заряда Q_S =qN_il_p толщина обедненного слоя l_p возрастает, что приводит к соответствующему уменьшению емкости МОП-структуры.

В условиях обеднения МОП структуру можно представить как два последовательно включенных конденсатора. Емкость одного из них обусловлена диэлектрическим слоем и не зависит от напряжения.

(4.38)

где ε и d – диэлектрическая проницаемость и толщина окисла, соответственно.

Емкость другого конденсатора обусловлена обедненным слоем полупроводника. Эта емкость зависит от напряжения и выражается формулой

(4.39)

где ε_П и l_P диэлектрическая проницаемость и толщина обедненного слоя полупроводника.

Полная емкость структуры равна

(4.40)

Комбинируя полученные уравнения, учитывая выражение для толщины слоя объемного заряда для контакта металл-полупроводник получим

(4.41)

где φ_МП – контактная разность потенциала между металлом и полупроводником.

Изменение емкости по приведенной формуле происходит лишь до появления инверсионного слоя, после чего емкость МОП-структуры от приложенного напряжения не зависит.

Рассмотренные явления при контакте метелла с полупроводником через диэлектрик нашли применение при создании МОП (МДП) транзисторов. Существует две разновидности МОП-транзисторов: с проводящим и индуцированным каналом (рис…).

Рис. 4.11. Планарные МОП- транзисторы с проводящим (а) и индуцированным (б) каналом.

Как видно на рис. 4.11 под контактами истока и стока образованы методом диффузии подконтактные р-области. В исходном состоянии, когда к электродам не приложено внешнее напряжение, приповерхностная область полупроводника, находящаяся под затвором, практически ничем не отличается от объема полупроводника. Если на исток подать прямое смещение, а на сток обратное, то по мере увеличения обратного напряжения на затворе приповерхностный слой полупроводника будет обедняться. При этом ток стока будет ничтожно мал и равет обратному току стокового p-n перехода. При некотором напряжении U_зотп происходит инверсия. Инверсионный приповерхностный слой образует канал, который соединяет диффузионные p- области между истоком и стоком, в результате чего между этими электродами возникает ток. При дальнейшем увеличении напряжения на затворе ток стока будет увеличиваться в соответствии с выражением

(4.42)

где w и L – ширина и длина канала;

d – толщина слоя окисла под затвором.

Напряжение стока, при котором наступает насыщение в МОП-транзисторе

U_{C нас} = U_З - U_{З отп} (4.43)

Величина тока стока насыщения равна

(4.44)

У реальных МОП-транзисторов на основе кремния и алюминия крутизна достигает 2-5мА/В, а пороговое напряжение при котором отпирается транзистор, составляет 4-6В. Остаточный ток стока транзистора в закрытом состоянии обычно не превышает 10^-9-10^-10 А.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.В. Новиков. – Теоретические основы микроэлектроники., Высшая школа, М. 1972

2. В.И. Фистуль.- Введение в физику полупроводников,

Высшая школа, М.1975

СОДЕРЖАНИЕ

1. Энергетический спектр носителей заряда

1.1. Зонная структура энергетического спектра носителей заряда

1.2. Заполнение зон. Эффективная масса носителей заряда

1.3. Локальные энергетические уровни

1.4. Дефекты в кристаллах

2. Статистика носителей заряда в твердом теле

2.1. Функция распределения Максвелла- Больцмана

2.2. Функция распределения Бозе-Эйнштейна

2.3. Функция распределения Ферми-Дирака

2.4. Концентрация носителей заряда

3. Неравновесные носители заряда в полупроводниках

3.1. Квазиуровни Ферми и время жизни неравновесных носителей заряда

3.2. Рекомбинация носителей заряда

3.3. Уравнение непрерывности

3.4. Соотношения Эйнштейна и диффузионная длина

4. Контактные явления

4.1. Контакт металл-полупроводник

4.2. Контакт полупроводников n и p типа

4.3. Контакт полупроводников n-p-n и p-n-p типа

4.4. Полупроводниковые сверхрешетки

4.5. Структура металл-диэлектрик-полупроводник.

Дата добавления: 2014-01-11