В последние годы большое место в электронике заняли приборы, использующие явления в приповерхностном слое полупроводника. Основным элементом таких приборов является структура Металл-Диэллектрик-Полупроводник /МДП/. В качестве диэллектрической прослойки между металлом и полупроводником часто используют слой оксида, например диоксид кремния. Такие структуры носят название МОП-структур. Металлический электрод обычно наносят на диэллектрик вакуумным распылением. Этот электрод называется затвором.
Если на затвор подать некоторое напряжение смещения относительно полупроводника , то у поверхности полупроводника возникает область объемного заряда, знак которой противоположен знаку заряда на затворе. В этой области концентрация носителей тока может существенно отличаться от их объемной концентрации.
Заряжение приповерхностной области полупроводника приводит к появлению разности потенциалов между нею и объемом полупроводника и, следовательно, к искривлению энергетических зон. При отрицательном заряде на затворе, энергетические зоны изгибаются вверх, так как при перемещении электрона из объема на поверхность его энергия увеличивается. Если затвор заряжен положительно то зоны изгибаются вниз.
Hа рисунке 1 показана зонная структура n-полупроводника при отрицательном заряде на затворе и приведены обозначения основных величин, характеризующих поверхность; -разность потенциалов между поверхностью и объемом полупроводника; - -изгиб зон у поверхности; ................. -середина запрещенной зоны. Из рисунка 2 видно, что в объеме полупроводника расстояние от дна зоны проводимости до уровня Ферми меньше расстояния от уровня Ферми до потолка валентной зоны. Поэтому равновесная концентрация электронов больше концентрации дырок: как и должно быть у n-полупроводников. В поверхностном слое объемного заряда происходит искревление зон и расстояния от дна зоны проводимости до уровня Ферми по мере перемещения к поверхности непрерывно увеличивается, а расстояние до уровня Ферми до потолка валентной зоны непрерывно уменьшается. В сечении АА эти расстояния становятся одинаковыми (..................) и полупроводник становится собственным: n=p=n. Правее сечения АА ............. , в седствии чего p>n и полупроводник становится полупроводником р-типа. У поверхности образуется в этом случае поверхностный p-n переход.
Часто изгиб зон у поверхности выражают в единицах kT и обозначают Ys. Тогда ....................... .
При формировании приповерхностной области полупроводника могут встретиться три важных случая: обеднение, инверсия и обогащение этой области носителями заряда. Эти случаи для полупроводников n- и p-типа представлены на рис. 3.
Обедненная область появляется в том случае, когда заряд затвора по знаку совпадает со знаком основных носителей тока (рис.3 а,г). Вызванный таким зарядом изгиб зон приводит к увеличению расстояния от уровня Ферми до дна зоны проводимости в полупроводнике n-типа и до вершины валентной зоны в полупроводнике p-типа. Увеличение этого расстояния сопровождается обеднением приповерхностной области основными носителями. При высокой плотности заряда затвора, знак которого совпадает со знаком заряда основных носителей, по мере приближения к поверхности расстояние от уровня Ферми до потолка валентной зоны в полупроводнике n-типа оказывается меньше расстояния до дна зоны проводимости. Вследствии этого, концентрация неосновных носителей заряда /дырок/ у поверхности полупроводника становится выше концентрации основных носителей и тип проводимости этой области изменяется, хотя и электронов и дырок здесь мало, почти как в собственном полупроводнике. У самой поверхности, однако, неосновных носителей может быть столько же или даже больше, чем основных в объеме полупроводника. Такие хорошо проводящие слои у поверхности с типом проводимости, противоположным объемному, называют инверсионными (рис.3 б,д). К инверсионному слою вглубь от поверхности примыкает слой обеднения.
Если знак заряда затвора противоположен знаку заряда основных носителей тока в полупроводнике, то под его влиянием происходит притяжение к поверхности основных носителей и обогащение ими приповерхностного слоя. Такие слои называются обогащенными (рис. 4 в,е).
При слабом обогащении или обеднении приповерхностной области полупроводника ее размер определяется так называемой дебаевской длинной экранирования:
где: .......-диэлектрическая проницаемость полупроводника; ...... -концентрация основных носителей тока в нем.
а протяжении слоя ...... напряженность электрического поля, потенциал и изменение концентрации носителей тока относительно объема полупроводника уменьшается в ..... раз по сравнению с их значениями на поверхности.
В случае сильного обеднения толщину обедненного слоя можно рассчитать по формуле для обедненного слоя в барьере Шотки, заменив в ней ... на ... . Наиболее сложно рассчитать структуру приповерхностного слоя с инверсионной областью.
В интегральной электронике МДП-структуры широко используются для создания транзисторов и на их основе различных интегральных микроcхем. На рис. 4 схематически показана структура МДП-транзистора с изолированным затвором. Транзистор состоит из кристалла кремния /например n-типа/, у поверхности которого диффузией /или ионной имплантацией/ в окна в оксиде формируются р-области, как показано на рис. 4 а. Одну из этих областей называют истоком, другую - стоком. Сверху на них наносят омические контакты. Промежуток между областями покрывают пленкой металла, изолированной от поверхности кристалла слоем оксида. Этот электрод транзистора называют затвором. Hа границе между р- и п-областями возникают два р-п-перехода - истоковый и стоковый, которые на рисунке 4 а. показаны штриховкой.
Hа рис. 4 б приведена схема включения транзистора в цепь: к истоку подсоединяют плюс, к стоку - минус источника напряжения .... , к затвору - минус источника .... . Для простоты рассмотрения будем считать, что контактная разность потенциалов, заряд в оксиде и поверхностные состояния отсутствуют. Тогда свойства поверхностной области, в отсутствие напряжения на затворе, ничем не отличаются от свойств полупроводников в объеме. Сопротивление между стоком и истоком очень велико, так как стоковый р-п-переход оказывается под обратным смещением. Подача на затвор отрицательного смещения сначала приводит к образованию под затвором обедненной области, а при некотором напряжении ..... называемом пороговым, - к образованию инверсионной области, соединяющей р-области истока и стока проводящим каналом. При напряжениях на затворе выше ...... канал становится шире, а сопротивление сток-исток - меньше. Рассматриваемая структура является, таким образом, УПРАВЛЯЕМЫМ РЕЗИСТОРОМ.
Однако сопротивление канала определяется только напряжением на затворе лишь при небольших напряжениях на стоке. С увеличением ..... носители из канала уходят в стоковую область, обедненный слой у стокового n-p-перехода расширяется и канал сужается (рис. 4,в). Зависимость тока ..... от напряжения на стоке ....... становится нелинейной.
При сужении канала число свободных носителей тока под затвором уменьшается по мере приближения к стоку. Чтобы ток в канале был одним и тем же в любом его сечении, электрическое поле вдоль канала должно быть, в таком случае, неоднородным, его напряженность должна расти по мере приближения к стоку. Кроме того, возникновение градиента концентрации свободных носителей тока вдоль канала приводит к возникновению диффузионной компоненты плотности тока.
При некотором напряжении на стоке ........ канал у стока перекрывается, при еще большем смещении канал укорачивается к истоку (рис. 4,г). Перекрытие канала однако не приводит к исчезновению тока стока, поскольку в обедненном слое, перекрывшем канал, электрическое поле тянет дырки вдоль поверхности. Когда носители тока из канала вследствии диффузии попадают в эту область, они подхватываются полем и перебрасываются к стоку. Таким образом, по мере увеличения напряжения на стоке чисто дрейфовый механизм движения носителей тока вдоль канала сменяется диффузионно-дрейфовым.
Механизм протекания тока в МДП-транзисторе при сомкнутом канале имеет некоторые общие черты с протеканием тока в обратно-смещенном n-p-переходе. Напомним, что в n-p-переходе неосновные носители тока попадают в область пространственного заряда перехода вследствие диффузии и затем подхватываются его полем.
Как показывают теория и эксперимент, после перекрытия канала ток стока ....... практически насыщается (рис. 5). Значение тока насыщения зависит от напряжения на затворе .....: чем выше ..... , тем шире канал и тем больше ток насыщения (на рисунке ......................). Это типично транзисторный эффект - напряжением на затворе (во входной цепи) можно управлять током стока (током в выходной цепи). Характерной особенностью МДП-транзисторов является то, что его входом служит конденсатор, образованный металлическим затвором, изолированным от полупроводника. Ток утечки затвора типичных МДП-транзисторов составляют ........А и могут быть уменьшены до ......А. В рассматриваемом транзисторе используется эффект поля, поэтому такие транзисторы называются ПОЛЕВЫМИ. В отличии от транзисторов типа p-n-p или n-p-n, в которых происходит инжекция неосновных носителей тока в базовую область, в полевых транзисторах ток переносится только основными носителями. Поэтому такие транзисторы называются также УНИПОЛЯРНЫМИ.
На границе раздела полупроводник - диэллектрик в запрещенной зоне полупроводника существуют энергетические состояния, называемые поверхностными или, точнее, состояниями граници раздела (рис. 6). Волновые функции электронов в этих состояниях локализованы вблизи поверхности раздела в областях порядка постоянной решетки. Причина возникновения рассматриваемых состояний состоит в неидеальности граници раздела полупроводник - диэллектрик (оксид). На реальных границах раздела всегда имеется некоторое количество оборванных связей и нарушается стехиометрия состава оксидной пленки диэллектрика. Плотность и характер состояний граници раздела существенно зависят от технологии создания диэллектрической пленки.
Наличие поверхностных состояний на границе раздела полупроводник - диэллектрик отрицательно сказывается на параметрах МДП-транзистора, так как часть заряда, наведенного под затвором в полупроводнике, захватывается на эти состояния. Успех в создании полевых транзисторов рассматриваемого типа был достигнут после отработки технологии создания пленки ....... на поверхности кремния с малой плотностью состояний границы раздела .......... .
В самом оксиде кремния всегда существует положительный "встроенный" заряд, природа которого до сих пор до конца не выяснена. Значение этого заряда зависит от технологии изготовления оксида и часто оказывается настолько большим, что если в качестве подложки используется кремний р-типа проводимости, то у его поверхности образуется инверсионный слой уже при нулевом смещении на затворе. Такие транзисторы называются транзисторами со ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ. Канал в них сохраняется даже при подаче на затвор некоторого отрицательного смещения. В отличие от них в транзисторах, изготовленных на п-подложке, в которой для образования инверсионного слоя требуется слишком большой заряд оксида, канал возникает только при подаче на затвор напряжения ....., превышающего некоторое пороговое напряжение ....... . По знаку это смещение на затворе должно быть отрицательным для транзисторов с п-подложкой и положительным в случае р-подложки.
К униполярным транзисторам относят также транзисторы с управляющим п-р-переходом, структуру которых схематически представлена на рис. 7,а. Канал проводимости в таких транзисторах представляет собой узкую область в исходном полупроводнике, не занятую обедненным слоем п-р-перехода. Шириной этой области можно управлять, подавая на п-р-переход обратное смещение. В зависимости от этого смещения меняется начальное сопротивление сток-исток. Если при неизменном напряжении на р-п-переходе смещение сток-исток увеличивать, канал сужается к стоку и ток стока растет с напряжением медленнее, чем при малых смещениях. При перекрытии канала (рис. 7,б) ток стока выходит на насыщение. Как механизм протекания тока по каналу такого транзистора, так его выходные характеристики весьма близки к характеристикам МДП-транзистора.
Входное сопротивление полевых транзисторов на низких частотах является чисто емкостным. Входная еикость ..... образуется затвором и неперекрытой частью канала со стороны истока. Так как для заряда этой емкости ток должен протекать через неперекрытую часть канала с сопротивлением ....... , то собмтвенная постоянная времени транзистора равна .......... . Это время, однако, очень мало , и в интегральных схемах, применяемых, например, в цифровой вычислительной технике, длительность переходных процессов определяется не им, а паразитными емкостями схемы и входными емкостями других транзисторов, подключенных к выходу данного. Вследствии этого при изготовлении таких схем стремятся сделать входную емкость как можно меньшей за счет уменьшения длинны канала и строгого совмещения границ затвора с границами стока и истока.
При больших напряжениях на стоке МДП-транзистора область объемного заряда от стоковой области может распространиться настолько сильно, что канал вообще исчезнет. Тогда к стоку устремятся носители из сильно легированной истоковой области, точно так же как при "проколе" базы биполярного транзистора (см "Твердотельная электроника" Г.И.Епифанов, Ю.А.Мома #12.2 и рис.12.19).
При достаточно большом напряжении на стоке может также возникнуть обычный пробой обратносмещенного стокового р-п-перехода. Выходные характеристики МДП-транзистора , включающие участки пробоя, представлены на рис. 8. __._______________________F_<____D:EDITORSWD1.FRM-__єy▌;№;_4Ч6ж_h_R _MIч58√Cщь$kзя_ь-P:SЫ_*.MACC_ вэМГn■_т^P┬√M
Мя___@∙J№цTч┴·DL▄■ыш├:┬ОE¤╥.__ф_бr АДЮяз╞# _