4.5. 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 G для германия n – типа от величины потенциала у поверхности ₀ для нескольких значений параметра  =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