Физические основы микро- и наноэлектроники

определяют заряд приповерхностной области в интервале поверхностного потенциала от 0 до +QS1. В этом интервале приповерхностный слой характеризуется концентрацией основных носителей, величина которой меньше, чем в объеме,

но тип электропроводности не изменяется, т.е. nS > pS . Такая ОПЗ называется обедненной областью. В ней концентрация неосновных носителей заряда (дырок) с приближением к поверхности возрастает, но уровень Ферми в слое толщиной LD находится в верхней половине запрещенной зоны (см. рис. 9.4,à), что характерно для полупроводников n-òèïà. Ïðè ϕS = ϕS1 уровень EF на поверхности полупроводника совпадает с серединой

запрещенной зоны, и при дальнейшем увеличении изгиба вверх уровень Ферми в приповерхностном слое толщиной Linv (рис. 9.6) перемещается в нижнюю половину запрещенной зоны. В этом слое, который называется инверсионным, выполняется следующее соотношение между концентрациями свободных носителей заряда:

Рост изгиба зон вверх соответствует быстрому увеличению концентрации неосновных носителей pS и положительного заряда дырок в ОПЗ (см. рис. 9.5).

Повышение концентрации основных носителей заряда в объеме приводит к смещению уровня Ферми к соответствующей разрешенной зоне

инверсионный слои формируются при изгибах зон вниз. Заряд в указанных слоях при этом будет отрицательным и состоящим из зарядов акцепторных ионов и электронов. С указанными уточнениями объяснение природы заряда в ОПЗ в полупроводниках p-типа будет аналогичным изложенному выше для донорных полупроводников.

181

182

(9.9)

Емкость диэлектрика не зависит от внешней разности потенциалов на полевом электроде. В то же время зависимость CS(Vg) будет иметь вид, близкий к представленному на рис. 9.8.

Íà ðèñ. 9.9,à показаны зависимости Cä(Vg) è CS(Vg). Зависимость емкости идеальной МДП-структуры (не имеющей поверхностного заряда)

Рис. 9.9. Вольт-фарадная характеристика МДП-структуры

ñдонорным полупроводником при низкочастотном (à)

èвысокочастотном (á) напряжении

Необходимо отметить, что нарастание емкости при отрицательных напряжениях (режим инверсии) зависит от того, успевает ли концентрация

183

184

§ 9.5. Эффект поля

Внешнее электрическое поле, направление которого совпадает с нормалью к поверхности полупроводника, изменяет изгиб энергетических зон ϕS и, следовательно, концентрацию свободных носителей заряда в

приповерхностном слое, что аналогично процессам, описанным в предыдущих параграфах.

Рассмотрим полупроводниковый образец n-типа, по которому в продольном направлении пропускается постоянный электрический ток (рис. 9.11). Такой образец, фактически, подобен МДПструктуре (см. рис. 9.7,à). Поперечное электрическое поле создается подачей на полевой электрод относительно полупроводника внешней разности потенциа-

ëîâ Vg.

В режиме обогащения концентрация основных носителей заряда (электронов) в ОПЗ будет превышать объемную на величину nS. Полная концентрация электронов в ОПЗ будет равна

поверхностную проводимость, которая возрастает при увеличении обогащающего напряжения на полевом электроде (рис. 9.12).

185

выталкивания из приповерхностного слоя в объем внешним электриче- ским полем. При увеличении отрицательного потенциала –Vg поверхностная проводимость уменьшается, что подчеркивается отрицательным знаком ΔσS на рис. 9.12 в области обеднения. Повышение отрицательного

потенциала приводит к состоянию ОПЗ, когда концентрация неосновных носителей заряда (дырок) сначала уравнивается с концентрацией электронов, а при дальнейшем увеличении отрицательного напряжения превышает ее. Поверхностная проводимость становится дырочной, т.е. происходит инверсия поверхностной проводимости.

Поверхностная проводимость, в которой участвуют основные и неосновные носители заряда, описывается формулой

Так как обычно µpS < µnS, то минимум на так называемой кривой эффекта поля ΔσS = f(Vg) наблюдается уже в состоянии инверсии, т.е. при pS > nS. Изменение поверхностной проводимости полупроводника под действием поперечного электрического поля называется эффектом поля, хотя и изменение емкости МДП-структуры в аналогичных обстоятельствах (§ 9.4) также можно представить эффектом поля.

Зависимость ΔσS(Vg) для дырочного полупроводника показана на

рис. 9.13. Режим обогащения дырками приповерхностного слоя полупроводника наблюдается при отрицательных потенциалах на полевом электроде, режим обеднения и инверсии — при положительных.

S

é·Ó„‡˘ÂÌË àÌ‚Â(ÒËfl

1 2 3

<2 < 3

Vg

Рис. 9.13. Зависимость поверхностной проводимости от смещающего напряжения

для акцепторного полупроводника

На практике кривые эффекта поля можно наблюдать на установке, упрощенная принципиальная схема которой показана на рис. 9.11.

Изменение тока через образец, равное

186

Положение минимума ΔσS ïî îñè Vg (см. рис. 9.12 и 9.13) легко опре-

делением Максвелла — Больцмана nS è pS равны:

При этом покажем, что величина Vg < 0 при изгибе зонной диаграммы в приповерхностной области вверх и Vg > 0 при изгибе зонной диаграммы вниз.

Расчет показывает, что положение минимума на кривой ΔσS(Vg) çàâè-

сит от концентрации примеси в полупроводнике:

g

при увеличении концентрации акцепторной примеси в полупроводнике (см. рис. 9.13).

Смещение минимума поверхностной проводимости с увеличением степени легирования объясняется тем, что при возрастании концентрации примеси увеличивается энергетическое расстояние между уровнем Ферми и серединой запрещенной зоны и поэтому увеличивается потенциал, который необходимо приложить к поверхности полупроводника относительно объема для создания в приповерхностной области инверсного состояния.

Следует отметить, что положение минимума кривой ΔσS(Vg) зависит от параметров полупроводника в объеме (ni/n0, µn/µp) и от свойств поверх-

ности. Наличие поверхностных заряженных состояний приводит к возникновению на поверхности потенциала ϕS и созданию внутреннего элек-

трического поля в приповерхностной области полупроводника. В результате при измерении ΔσS(Vg) действующее значение потенциала на

187

поверхности полупроводника равно VS + Vg, т.е. положение минимума зависимости ΔσS(Vg) оказывается смещенным по оси Vg на величину VS .

Таким образом, сравнение положений минимума теоретической зависимости ΔσS(Vg) и экспериментально измеренной ΔσS(Vg + VS) позволяет

определить величину и знак поверхностного потенциала VS.

В целом из измерений эффекта поля можно определить тип поверхностной проводимости, изгиб зон на поверхности полупроводника в зависимости от приложенного напряжения, величину захваченного поверхностными состояниями заряда, оценить энергетическое положение этих состояний и их концентрацию.

§9.6. Полевые транзисторы

ñизолированным затвором

Структура металл-диэлектрик-полупроводник является основой для изготовления приборов с переносом заряда, полевых транзисторов с изолированным затвором, элементов памяти, твердотельных матричных видиконов и др. Во всех этих приборах используется изменение концентрации носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего поля или других факторов. Рассмотрим один из типов названных выше приборов — полевой транзистор с изолированным затвором, который является униполярным транзистором, так как ток в нем создается носителями заряда одного знака. Структуры двух разновидностей таких транзисторов и их условное обозначение на схемах показаны на рис. 9.14.

Рис. 9.14. Структура полевых МДП-транзисторов со встроенным (à) и индуцированным (á) каналами и их условные обозначения:

1 — МДП-транзистор со встроенным каналом n-типа; 2 —со встроенным каналом p-òèïà;

3 — с индуцированным каналом n-òèïà

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, называемым подложкой (на рис. 9.14 подложка p-типа), созданы две сильнолегированные области противоположного типа прово-

188

димости (n+-типа). Эти области с нанесенными металлическими электродами получили названия: одна — исток (и), другая — сток (с). Расстояние между истоком и стоком составляет несколько микрометров. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким (порядка 0,1 мкм) слоем диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод, называемый затвором (з). Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника, т.е. МДП-структура. В последнее время в качестве затвора используется высоколегированный поликристаллический кремний (поликремний), а также некоторые комбинации поликремния и силицидов.

Полевой транзистор с изолированным затвором, в котором в качестве изолирующего слоя между затвором и подложкой использован диэлектрик, называют полевым транзистором типа металл-диэлектрик-полупро- водник или МДП-транзистором.

Выпрямляющие электрические переходы под истоком и стоком могут быть выполнены не только в виде p-n-переходов, но и в виде выпрямляющих переходов Шоттки, т.е. путем нанесения металлических электродов истока и стока непосредственно на подложку (создаются запирающие контакты металл-полупроводник). Использование выпрямляющих переходов Шоттки под истоком и стоком может обеспечить ряд преимуществ в технологии изготовления таких транзисторов, а также улучшить их характеристики. К настоящему времени известны МДП-транзисторы, изготовленные на различных полупроводниковых материалах, таких как германий, кремний, арсенид галлия, с использованием различных диэлектрических слоев (диоксид кремния, нитрид кремния, диоксид алюминия); наибольшее распространение получили МДП-транзисторы на крем- нии-диоксиде кремния. Иногда такие транзисторы называют полевыми транзисторами типа металл-оксид-полупроводник или МОП-транзистора- ми. Однако чаще используют более общий термин — МДП-транзисторы.

Существует две разновидности таких транзисторов — с индуцированным и со встроенным каналом (рис. 9.14,à,á). В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 9.14,á) проводящий канал между сильнолегированными областями стока и истока и, следовательно, заметный ток стока появляются при напряжении на затворе определенной величины и полярности относительно истока, называемом пороговым напряжением

Uçè ïîð .

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 9.14,à) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсионный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

Изображенные на рис. 9.14 структуры МДП-транзисторов имеют подложку p-типа, а встроенный или индуцированный канал — n-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке n-типа, то канал у них будет проводимости p-òèïà.

189

V

Рис. 9.16. Стоковые характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом (à) и характеристика передачи (á)

При подаче на затвор отрицательного напряжения (относительно истока) в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого носители заряда (электроны) выталкиваются из канала. Канал

190