Физические процессы в МДП-структуре
Поверхностные явления.
Конструкция полупроводниковых кристаллов современных приборов и интегральных микросхем характеризуются очень малыми размерами областей (единицы и доли мкм) от поверхности кристалла, в которых происходит преобразование электрических сигналов.
Физические процессы на поверхности полупроводника в большой степени определяют электрические характеристики и параметры полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
В полевых транзисторах, важнейшие физические процессы, определяющие их принцип действия, протекают непосредственно в приповерхностном слое.
Рассмотрим следующие физические процессы:
- поверхностный заряд;
- эффект поля.
Поверхностный заряд.
Структура поверхности полупроводников характеризуется большим числом различных дефектов. Атомы полупроводника на поверхности имеют свободные химически активные валентные связи и при воздействии атмосферы вступают в реакцию с кислородом и парами воды, образуя различные оксиды и гидраты.
Сама граница раздела является нарушением пространственной периодичности кристаллической решетки, т. е. представляет собой дефект.
В результате в приповерхностном слое появляются на зонной диаграмме энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне.
Состояния, соответствующие этим уровням, представляют собой так называемые поверхностные ловушки.
Захватывая подвижные носители, они могут превращаться в положительные или отрицательные ионы, образуя поверхностный заряд.
В реальных приборах на поверхность полупроводника наносятся тонкие диэлектрические пленки, и производится специальная термическая обработка с целью улучшения и стабилизации параметров приборов, а также защиты поверхности.
Например, в кремниевых и некоторых арсенид-галлиевых планарных приборах и интегральных микросхемах поверхность покрыта слоем оксида (Si02) толщиной в десятые доли микрона.
Это приводит к тому, что для кремния, покрытого оксидом SiO2, помимо заряда ловушек существует постоянный поверхностный заряд.
В пленке SiO2 вблизи границы раздела с кремнием возникает тонкий переходный слой, содержащий большое число дефектов типа кислородных вакансий (недостаток одного атома кислорода в молекуле SiO2), в котором образуется положительный заряд ионов Si+.
Эффект поля
Эффектом поляназывается изменение концентрации свободных носителей в приповерхностном слое полупроводника (и, следовательно, его удельного сопротивления) под действием внешнего электрического поля, направленногонормально к поверхности.
В зависимости от направления поля и его напряженности различают три режима приповерхностного слоя:
- обеднения;
- инверсии;
- обогащения.
Рассмотрим эффект поля на примере полупроводника р-типа с постоянной концентрацией акцепторов.
На рис. 10.1а. – 10.1в. показаны напряженность поля и концентрация носителей заряда в приповерхностном слое.
Рис. 10.1 Концентрация носителей заряда в приповерхностном слое.
Предположим, что поверхностный заряд равен нулю.
Если полупроводник поместить во внешнее электрическое поле, то оно вызовет смещение свободных носителей в приповерхностном слое.
Появится нескомпенсированный объемный заряд, экранирующий остальную часть полупроводника от внешнего поля.
В стационарном режиме ток через полупроводник не течет, так как отсутствует замкнутая проводящая электрическая цепь.
Режим обедненияпоясняет рис.10.1а.
Под действием поля, направление которого показано на рис, дырки (основные носители) смещаются от поверхности вглубь полупроводника, так что их концентрация у поверхности уменьшается.
Концентрация электронов у поверхности возрастает за счет их дрейфа к поверхности под действием электрического поля.
Электроны (неосновные носители) притягиваются к поверхности, но их концентрация здесь остается очень малой.
Поэтому у поверхности образуется обедненный слойтолщиной Lo6 .
Режим обеднения наблюдается при небольшой напряженности внешнего поля, когда nпов<Na, а поверхностный потенциал не превышает порогового значенияфпор, которое можно определить из условия nnoв = Na,
fпор = 2фтln(Na /ni) (10.1)
Распределения концентраций электронов и дырок показаны на рис. 10.1а.
Режим инверсии(рис10.1б)
При большой напряженности внешнего электрического поля наблюдается режим инверсии.
Режим инверсиитакое состояние приповерхностного слоя полупроводника, в котором поверхностная концентрация электронов (неосновных носителей) превышает концентрацию акцепторов.
Тонкий хорошо проводящий слой n-типа (рис.10.1б) с высокой концентрацией электронов называют инверсным, так какего тип проводимости противоположен типу проводимости подложки.
Распределения концентраций электронов и дырок показаны на рис. 10.1б.
Возникший проводящий слой n-типа экранирует полупроводник от внешнего поля.
Режим обогащения(рис10.1в)
При изменении направления внешнего электрического поля возникает режим обогащения, так как дырки притягиваются к поверхности и образуют обогащенный слой,где их концентрация выше концентрации акцепторов.
Обогащенный слой характеризуется повышенной проводимостью, он также экранирует полупроводник от внешнего поля.
Структура металл – диэлектрик - п/п (МДП или МОП)
Структуры металл — диэлектрик — полупроводник (МДП) составляют основу полевых МДП-транзисторов, конденсаторов, управляемых напряжением, а также широко используются в интегральных схемах.
Простейшая МДП-структура (рис. 10.2) содержит полупроводниковый кристалл — подложку 1, слой диэлектрика 2, металлический электрод — затвор 3, омический контакт к подложке 4.
Структура имеет два вывода (затвор и контакт к подложке) и является МДП-конденсатором, емкость которого зависит от напряжения между затвором и выводом подложки.
Физические процессы в МДП-структуре.
Напряжение затвора создает электрическое поле, проникающее через тонкий (толщиной d=0,03-0,1 мкм) слой диэлектрика в приповерхностный слой полупроводника, где оно изменяет концентрацию носителей.
В зависимости от значения напряжения наблюдаются рассмотренные режимы обогащения, обеднения или инверсии.
Рис, 10.2 МДП-структура
Напряжение Uз =U0, при котором в полупроводнике равны нулю напряженность поля, поверхностный потенциал и объемный заряд, называется напряжением нейтрализации. Оно соответствует границе режимов обогащения и обеднения.
Пороговым напряжениемUз = Unop, называется напряжение, при котором концентрация электронов в приповерхностном слое равна концентрации акцепторов, что соответствует границе режимов обеднения и инверсии.
Таким образом при Uз < Uo имеет место режим обогащения.
При U0<U3 <Unop - режим обеднения,
при Uз >Unop - режим инверсии.
Напряжение затвора складывается из напряжения на диэлектрике Uд, напряжения в приповерхностном слое полупроводника fпов и контактной разности потенциалов перехода металл — полупроводник fмпо.
Наиболее широко применяется МДП-структура на кремнии, где диэлектриком служит диоксид кремния, затвором - пленка алюминия.