Gurtov_TE

На рисунке 3.34 показан характер экранировки потенциала в зависимости от масштаба L при разных толщинах подзатворного диэлектрика dox и различных расстояниях λ.

1,0

Рис. 3.34. Зависимость потенциала U/U0 системы зарядов типа «шахматная доска» от размера L при различных толщинах окисла dox и расстояниях λ вглубь полупроводника

Видно, что зависимость потенциала U от масштаба L имеет выраженный максимум. Исследование соотношения (3.157) на экстремум показывает, что оптимальная величина масштаба Lопт, соответствующая максимальному значению потенциала (U/U0)max, будет равна:

На рисунке 3.35 приведена зависимость масштаба Lопт, рассчитанная по соотношению (3.158) от толщины диэлектрика при разных расстояниях вглубь полупроводника.

При больших значениях толщины диэлектрика оптимальный масштаб имеет размеры порядка толщины диэлектрика Lопт ~ dox, при малых толщинах диэлектрика величина оптимального масштаба существенно больше толщины диэлектрика Lопт >> dox.

141

104

o

Lопт, A

Рис. 3.35. Зависимость оптимального масштаба Lопт, соответствующему максимальному значению относительного потенциала U/U0, от толщины подзатворного диэлектрика dox

3.7.9. Сравнительный анализ зависимости среднеквадратичной флуктуации σψ и потенциала оптимальной флуктуации

Представляет определенный интерес сравнение спада потенциала U(λ), рассчитанного по соотношению (3.157) для флуктуаций различного масштаба L, со спадом величины среднеквадратичной флуктуации σψ(λ). Воспользуемся тем фактом, что для различных масштабов L величина потенциала на поверхности U0 будет одинакова, как было показано в уравнении (3.123). Будем также учитывать для каждого значения расстояния λ только оптимальные флуктуации, дающие максимальное значение потенциала, то есть флуктуации размером L = Lопт, рассчитанным по (3.158). Величину U0 выберем для всех случаев такую, чтобы для одной из толщин диэлектрика значения σψ и потенциала U совпали бы при больших значениях λ → ∞.

При других значениях толщины диэлектрика такое совпадение наблюдалось автоматически.

На рисунке 3.36 приведен график потенциала оптимальной флуктуации, рассчитанный подобным образом. Из графика видно, что при больших λ наблюдается совпадение характера зависимости среднеквадратичной флуктуации σψ и потенциала оптимальной флуктуации U от расстояния λ вглубь полупроводника.

Расхождение наблюдается при малых значениях λ, причем с уменьшением толщины диэлектрика dox область значения λ, где наблюдается это расхождение, также уменьшается. При значениях λ → 0, то есть при приближении к границе раздела полупроводник – диэлектрик, величина среднеквадратич-

142

ной флуктуации σψ логарифмически расходится, в то время как потенциал оптимальной флуктуации имеет конечное значение, равное U0.

Зависимость величины потенциала флуктуации U от масштаба L приведена ранее на рисунке 3.34. При пуассоновском характере распределения точечных зарядов очевидно, что должна наблюдаться минимальная величина масштаба флуктуации, определяемая средним расстоянием между заряженными точечными центрами.

Рис. 3.36. Зависимость потенциала оптимальной флуктуации U0 и величины среднеквадратичной флуктуации σU от расстояния λ вглубь полупроводника для системы случайно распределенных точечных зарядов на границе раздела окисел – полупроводник

Таким образом, дискретность зарядов на границе раздела полупроводник

– диэлектрик является физической причиной ограничения минимального масштаба флуктуации. Физическое ограничение максимального масштаба флуктуаций определяется размерами исследуемой МДП-структуры:

Lmax ≈ Lобр.

Таким образом, на границе раздела окисел – полупроводник возможны все масштабы флуктуаций заряда от Lmin до Lmax. Но в силу экранировки затвором во флуктуации потенциала дают максимальный вклад такие масштабы, которые удовлетворяют соотношению (3.158). В данном случае МДП-структура выступает чем-то в виде RC-фильтра, который из набора сигналов всех гармоник выделяет преимущественно одну частоту.

143

При переходе от области слабой к области сильной инверсии начинает играть свою роль экранирование свободными носителями. В некотором смысле это эквивалентно установке и приближению к границе второго затвора со стороны полупроводниковой подложки. Учтем этот факт экранировки следующим образом. Введем расстояние dnn из условия равенства емкостей области пространственного заряда Csc и емкости конденсатора с диэлектрической проницаемостью εs и расстоянием между обкладками dnn. Получаем:

ε ε

Csc = ds . (3.160)

nn

Величина dnn для области сильной инверсии будет эквивалентна среднему расстоянию свободных носителей в области пространственного заряда до границы раздела полупроводник – диэлектрик. С ростом избытка свободных носителей в инверсионном канале Γp,n величина dnn будет уменьшаться и, как следует из рисунка 3.36, будет происходить экранировка флуктуаций сначала больших масштабов. При этом будет уменьшаться и абсолютная величина флуктуаций потенциала, как видно из рисунка 3.36, и потенциальный рельеф будет становиться все мелкомасштабнее.

Максимальная длина свободного пробега дырок в инверсионных каналах кремниевых МДП-структур, рассчитанная из значения подвижности в максимуме зависимости µ(Γp) при температурах T = (77÷350) К, составляет величи-

ну не более λ = (200÷300) Å.

Величина линейного масштаба оптимальной флуктуации, как видно из рисунка 3.35, во всех случаях обычно больше длины свободного пробега, в том числе и в МДП-структурах со сверхтонким подзатворным диэлектриком. Этот факт позволяет рассматривать процесс переноса свободных носителей заряда в сложном потенциальном рельефе в инверсионных каналах МДП-структур как процесс «протекания» в случайном потенциальном поле, а не как процесс рассеяния.

Контрольные вопросы

Задачи

3.1.Рассчитать дебаевскую длину экранирования в кремнии с удельным сопротивлением ρ = 15 Ом см и сравнить с глубиной проникновения электрического поля, Т = 300 K.

3.2.Рассчитать и сравнить дебаевские длины экранирования LD в собственных полупроводниках – кремнии Si, германии Ge, арсениде галлия GaAs, антимониде индия InSb при комнатной температуре.

144

3.3. Рассчитать объемную концентрацию электронов и дырок на поверхности ns, ps для n-Si c ρ = 1 Ом см при значениях поверхностного потенциала ψs = 0,3 В; –0,2 В, –0,5 В, –0,9 B. Определить состояние поверхности.

3.4.Найти величину заряда Qsc и емкости Csc ОПЗ кремния марки КДБ–10 при значениях поверхностного потенциала ψs, равных ψs = 0; φ0, 2φ0.

3.5.Найти в классическом случае среднее расстояние λc, на котором локализованы свободные электроны в инверсионном канале в p-Si с сопротивлением

ρ = 0,1 Ом.см при поверхностном потенциале ψ s = 32 ϕ0 при температурах

Т = 300 K и Т = 77 К.

3.6.Оценить дебройлевскую длину волны электронов для кремния Si, германия Ge, арсенида галлия GaAs и антимонида индия InSb при комнатной T = 300 К и азотной Т = 77 К температурах.

3.7.Рассчитать энергию дна первых трех квантовых подзон в n-Si при значении ψs = 2φ0 и при NA = 1016 см-3. Найти среднюю область локализации lc электрона от поверхности на каждом из этих уровней и полное число электронов Ni в подзонах Т = 77 К.

3.8.Рассчитать, чему равен заряд поверхностных состояний Qss при значени-

ях поверхностного потенциала: ψs = 0; ψs = φ0; ψs = 2φ0 для кремния p-типа при Т = 300 К с уровнем легирования NA = 1·1018 см-3. Поверхностные состоя-

ния распределены равномерно по зоне с плотностью Nss = 2.1012 см-2·эВ-1. Сравнить заряд Qss с соответствующим зарядом Qsc ОПЗ.

3.9. В запрещенной зоне n-Si с ρ = 7,5 Ом.см имеются моноэнергетические

поверхностные состояния (ПС) с концентрацией Ns = 8.1012 см-2 и сечением захвата σt = 10-16 см2, расположенные на Et = 0,45 эВ выше середины запрещенной зоны. Рассчитать постоянную времени ПС τ, эквивалентную последовательную емкость Cs и сопротивление Rs при обогащающем изгибе зон ψs, когда уровень Ферми совпадает с положением уровня ПС, Т = 300 К.

3.10. Чему равна плотность поверхностных состояний Nss в МДП-структуре p-Si – Si3N4 – Si(п/к) в состоянии плоских зон, если уровень легирования подложки NA = 1,5·1015 см-3, площадь затвора S = 0,5 мм2, толщина нитрида кремния dn = 1,2·10-5 см, а наклон экспериментальной ВФХ равен

δ = ∆∆VC = 42 пФВ .

3.11. Рассчитать плотность поверхностных состояний Nss, если максимум кривой зависимости нормированной проводимости Gωp от ω находится на

145

чине сечения захвата σt, если поверхностная концентрация электронов ns0 равна ns0 = 1·1012 см-3.

3.12. Рассчитать вольт-фарадную характеристику МДП-системы p-Si – SiO2 – Al, dox = 150 нм, NA = 1,5·105 см3, T = 300 K при наличии отрицательного заряда в окисле Nox = –4·1011 см-2 и донорного моноуровня поверхностных состояний Ns = 6·1011 см-2 на 0,1 эВ ниже середины запрещенной зоны кремния.

146

Глава 4. Полупроводниковые диоды

Введение

Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт-амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе p-n перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.

4.1.Характеристики идеального диода на основе p-n перехода

Основу выпрямительного диода составляет обычный электроннодырочный переход. Как было показано в главе 2, вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность, приведенную на рисунке 4.1б, и описывается уравнением (4.1). В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

147

J

в

J=JpD +JnD

диффузионный ток

VG

Рис. 4.1. Параметры полупроводникового диода:

а) конструкция прибора (с указанием размера в мм); б) вольт-амперная характеристика; в) схемотехническое обозначение

Для анализа приборных характеристик выпрямительного диода важными являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент выпрямления, характеристичные сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.

4.1.1. Выпрямление в диоде

Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе p-n перехода является резкая асимметрия вольт-амперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке 4.2 приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде.

148

tt

Рис. 4.2. Схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока с помощью диода

[60, 68]

Рассмотрим, каков будет коэффициент выпрямления идеального диода на основе p-n перехода. Для этого рассчитаем по уравнению (4.1) коэффициент выпрямления К как отношение прямого тока к обратному току диода при значениях напряжения U = ± 0,01 В; 0,025 В; ±0,1 В; 0,25 В; ±1 B. Получаем:

Как следует из таблицы и соотношения (4.3), при значениях переменного напряжения, модуль которого VG меньше, чем тепловой потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значениях VG по крайней мере в 4 раза больших, чем тепловой потенциал kT/q, что при комнатной температуре Т = 300 К соответствует значению напряжения VG = ± 0,1 В.

4.1.2. Характеристическое сопротивление

Различают два вида характеристического сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление rD и сопротивление по постоянному току RD.

Дифференциальное сопротивление определяется как

На прямом участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление rD невелико и составляет значение несколько Ом. Действительно, при значении прямого тока диода I = 25 мА и значении теплового

149

потенциала kT/q = 25 мВ величина дифференциального сопротивления rD будет равна rD = 1 Ом. На обратном участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление rD стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.

Сопротивление по постоянному току RD определяется как отношение приложенного напряжения VG к протекающему току I через диод:

На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление RD > rD, а на обратном участке – меньше RD < rD.

В точке вблизи нулевого значения напряжения VG << kT/q значения сопротивления по постоянному току и дифференциального сопротивления совпадают. Действительно, разложив экспоненту в ряд в соотношении (4.5), получаем:

Используя характерное значение для обратного тока диода I0 = 25 мкА, получаем величину сопротивления диода в нулевой точке RD0 = rD0 = 1 кОм. На рисунке 4.3а приведена зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении.

4.1.3.Эквивалентная схема диода

Сучетом полученных дифференциальных параметров можно построить эквивалентную малосигнальную схему диода для низких частот (рис. 4.3). В этом случае наряду с уже описанными элементами – дифференциальным сопротивлением (рис. 4.3а) и емкостями диода (рис. 4.3б) необходимо учесть

омическое сопротивление квазинейтрального объема базы (rоб) диода. Сопротивление квазинейтрального объема эмиттера можно не учитывать, поскольку в диодах эмиттер обычно легирован существенно более сильно, чем база.

150