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 L_o6 .

Режим обеднения наблюдается при небольшой напряжен­ности внешнего поля, когда n_пов<N_a, а поверхностный по­тенциал не превышает порогового значенияф_пор, которое можно определить из условия n_noв = N_a,

f_пор = 2ф_тln(N_a /n_i) (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 U_з =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 напряжениемU_з = U_nop, называется напряжение, при котором концентрация электронов в приповерхностном слое равна концентрации акцепторов, что соответствует границе режимов обеднения и инверсии.

Таким образом при U_з < U_o имеет место режим обогащения.

При U₀<U₃ <U_nop - режим обед­нения,

при Uз >U_nop - режим инверсии.

Напряжение затвора складывается из напряжения на диэлектрике U_д, напряжения в приповерхностном слое полупроводника f_пов и контактной разности потенциалов перехода ме­талл — полупроводник f_мпо.

Наиболее широко применяется МДП-структура на кремнии, где диэлектриком служит диоксид кремния, за­твором - пленка алюминия.