Вопрос 6 – МДП-структура, режимы смещения

Структуры металл – диэлектрик – полупроводник, или сокращенно МДП-структуры, широким интересом к изучению их физических свойств обязаны появлению планарной технологии и развитию нового класса полупроводниковых приборов, работающих на основе эффекта поля, таких как приборы с зарядовой связью, полевые транзисторы с изолированным затвором, репрограммируемые элементы памяти с плавающим затвором и т.п. МДП-структуры позволяют анализировать основные процессы, протекающие в такого рода приборах, и являются чрезвычайно удобными объектами исследования. Устройство МДП-структуры следует из ее названия.

МДП-структура представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, называемую подложкой, закрытую с планарной стороны диэлектриком. Металлический электрод, нанесенный на диэлектрик, носит название затвора, а сам диэлектрик называется подзатворным. На обратную непланарную сторону полупроводниковой пластины наносится металлический электрод, называющийся омическим контактом. Довольно часто в качестве диэлектрика в МДП-структурах используют окислы, поэтому вместо МДП употребляется название МОП-структура.

Итак, МДП-структура, приведенная на рис. 3.1, состоит из затвора, подзатворного диэлектрика, полупроводниковой подложки и омического контакта.

Рассмотрим зонную энергетическую диаграмму МДП‑структуры при равновесных условиях. Согласно правилу построения зонных диаграмм необходимо, чтобы в системе при отсутствии приложенного напряжения:

Рис. 3.1. Устройство МДП‑структуры:

1 – затвор, 2 – подзатворный диэлектрик; 3 – полупроводниковая подложка; 4 – омический контакт

а) уровень вакуума был непрерывен;

б) электронное сродство диэлектрика и полупроводника в каждой точке было постоянно;

в) уровень Ферми был одинаков.

На рис. 3.2 приведена построенная таким образом зонная диаграмма для идеальной МДП-структуры. Под идеальной МДП-структурой будем понимать такую систему металл – диэлектрик – полупроводник, когда:

- отсутствуют поверхностные состояния на границе раздела полупроводник – диэлектрик;

- термодинамические работы выхода металла затвора и полупроводника подложки равны между собой;

- отсутствуют заряженные центры в объеме подзатворного диэлектрика;

- сопротивление подзатворного диэлектрика бесконечно велико, так что сквозной ток через него отсутствует при любых напряжениях на затворе.

а б

Рис. 3.2. Зонные диаграммы идеальных МДП-структур при напряжении на затворе V = 0 : а – полупроводник п-типа; б - полупроводник р-типа

МДП-структуры, близкие к идеальным, получают, используя «хлорную» технологию термического выращивания диокида кремния на кремнии, причем для n-Si в качестве материала затвора используется алюминий, а для p-Si - золото.

МДП-структуры, в которых нарушается одно из вышеперечисленных требований, получили название реальных МДП-структур.

Когда к идеальной МДП-структуре приложено напряжение того или другого знака, на полупроводниковой поверхности могут возникнуть три основные ситуации (рис. 3.3). Рассмотрим их сначала для МДП-структуры с полупроводником р-типа. Если к металлическому электроду структуры приложено отрицательное напряжение (V < 0), край валентной зоны у границы с диэлектриком изгибается вверх и приближается к уровню Ферми (рис. 3.3, а). Поскольку в идеальной МДП-структуре сквозной ток равен нулю, уровень Ферми в полупроводнике остается постоянным. Так как концентрация дырок экспоненциально зависит от разности энергий (Е_F- Е_V),такой изгиб зон приводит к увеличению числа основных носителей (дырок) у поверхности полупроводника. Этот режим называется режимом обогащения(аккумуляции).

Рис. 3.3. Зонные диаграммы идеальных МДП-структур при напряжении на затворе V ¹ 0: а – режим аккумуляции; б – режим обеднения; в – режим инверсии

Если к МДП-структуре приложено не слишком большое положительное напряжение (V > 0), зоны изгибаются в обратном направлении и приповерхностная область полупроводника обедняется основными носителями (рис. 3.3, б). Этот режим называют режимом обеднение или истощения поверхности. При больших положительных напряжениях зоны изгибаются вниз настолько сильно, что вблизи поверхности происходит пересечение уровня Ферми Е_Fс собственным уровнем Е_i. В этом случае (рис. 3.3, в)концентрация неосновных носителей (электронов) у поверхности превосходит концентрацию основных носителей (дырок). Эта ситуация называется режимом инверсии.