|
В останні роки велике місце в електроніці зайняли прилади,
використовують явища в при поверхневому шарі напівпровідника. основним
елементом таких приладів є структура
Метал-діеллектріка-Напівпровідник / МДП /. Як діеллектріческой
прошарку між металом і напівпровідником часто використовують шар
оксиду, наприклад діоксид кремнію. Такі структури звуться
МОП-структур. Металевий електрод зазвичай наносять на діеллектріка
вакуумним розпиленням. Цей електрод називається затвором.
Якщо на затвор подати деяку напругу зміщення щодо
напівпровідника, то у поверхні напівпровідника виникає область
об'ємного заряду, знак якої протилежний знаку заряду на затворі.
У цій області концентрація носіїв струму може істотно
відрізнятися від їх об'ємної концентрації.
Заряджання приповерхностной області напівпровідника приводить до
появи різниці потенціалів між нею і об'ємом напівпровідника і,
отже, до викривлення енергетичних зон. при негативному
заряді на затворі, енергетичні зони згинаються вгору, так як при
переміщенні електрона з обсягу на поверхню його енергія
збільшується. Якщо затвор заряджений позитивно те зони згинаються
вниз.
Hа малюнку 1 показана зон-
ная структура n-полупроводні-
ка при негативному заряді на
затворі і приведені обозначе-
ня основних величин, характе-
різующіх поверхню; -раз-
ність потенціалів між повер-
хность і обсягом полупровод-
ника; - -ізгіб зон у повер
хности; ................. -се-
редіна забороненої зони. з
малюнка 2 видно, що в обсязі
напівпровідника відстань від
дна зони провідності до уров-
ня Фермі менше відстані від
рівня Фермі до стелі вален-
тной зони. Тому равновес-
ная концентрація електронів
більше концентрації дірок: як
і має бути у n-полупровод-
ників. У поверхневому шарі
об'ємного заряду відбувається
іскревленіе зон і відстані
від дна зони провідності до
рівня Фермі в міру перемеще-
ня до поверхні безперервно
збільшується, а відстань до
рівня Фермі до стелі вален-
тной зони безперервно
зменшується. У перетині АА ці
відстані стають одинако-
вимі (..................) і
напівпровідник стає соб-
тиментом: n = p = n. праворуч сечо-
ня АА ............., в сед-
ності чого p> n і полупровод-
нік стає полупроводні-
кому р-типу. У поверхні про-
разуется в цьому випадку повер-
хностний pn перехід.
Часто вигин зон у поверх-
ності виражають в одиницях kT
і позначають Ys. Тоді ........................
При формуванні приповерхневої області напівпровідника можуть
зустрітися три важливих випадку: збіднення, інверсія і збагачення цієї
області носіями заряду. Ці випадки для напівпровідників n- і p-типу
представлені на рис. 3.
Збіднена область з'являється в тому випадку, коли заряд затвора
за знаком збігається зі знаком основних носіїв струму (рис.3 а, г). дзв
ний таким зарядом вигин зон призводить до збільшення відстані від
рівня Фермі до дна зони провідності в напівпровіднику n-типу і до
вершини валентної зони в напівпровіднику p-типу. Збільшення цього рас-
стояння супроводжується збіднінням приповерхневої області основними
носіями. При високій щільності заряду затвора, знак якого збігатися
дає зі знаком заряду основних носіїв, у міру наближення до повер-
хности відстань від рівня Фермі до стелі валентної зони в полупро-
воднику n-типу виявляється менше відстані до дна зони провідності.
Внаслідок цього, концентрація неосновних носіїв заряду / дірок / у
поверхні напівпровідника стає вище концентрації основних носи
телей і тип провідності цій галузі змінюється, хоча і електронів і
дірок тут мало, майже як у власному напівпровіднику. У самій по-
поверхні, однак, неосновних носіїв може бути стільки ж або да-
ж більше, ніж основних в обсязі напівпровідника. Такі добре проводя-
щие шари у поверхні з типом провідності, протилежним об'ємно-
му, називають інверсійними (рис.3 б, д). До інверсійної шару вглиб від
поверхні примикає шар збіднення.
Якщо знак заряду затвора протилежний знаку заряду основних но-
СІТЕЛ струму в напівпровіднику, то під його впливом відбувається прітяже-
ня до поверхні основних носіїв і збагачення ними пріповерхностно-
го шару. Такі шари називаються збагаченими (рис. 4 в, е).
При слабкому збагаченні або збіднінні приповерхневої області по-
лупроводніка її розмір визначається так званої дебаєвської довгою
екранування:
де: .......- діелектрична проникність напівпровідника; ......
концентрація основних носіїв струму в ньому.
а протягом шару ...... напруженість електричного поля, по-
потенціал і зміна концентрації носіїв струму щодо обсягу
напівпровідника зменшується в ..... разів у порівнянні з їх значеннями на
поверхні.
У разі сильного збіднення товщину збідненого шару можна розрахо-
тать по формулі для збідненого шару в бар'єрі Шотки, замінивши в ній
... на ....
Найбільш складно розрахувати структуру приповерхневого
шару з інверсійної областю.
У інтегральної електроніці МДП-структури широко використовуються для
створення транзисторів і на їх основі різних інтегральних мікроcхем.
На рис. 4 схематично показана структура МДП-транзистора з ізолюючим-
ванним затвором. Транзистор складається з кристала кремнію / наприклад
n-типу /, у поверхні якого дифузією / або іонною імплантацією / в
вікна в оксиді формуються р-області, як показано на рис. 4 а. Одну з
цих областей називають витоком, іншу - стоком. Зверху на них нано-
сят омические контакти. Проміжок між областями покривають плівкою
металу, ізольованою від поверхні кристала шаром оксиду. цей
електрод транзистора називають затвором. Hа кордоні між р-і п-облас-
тями виникають два р-п-переходу - істоковий і стоковий, які на ри-
рисунку 4 а. показані штрихуванням.
Hа рис. 4 б наведена схема включення транзистора в ланцюг: до істо-
ку під'єднують плюс, до стоку - мінус джерела напруги ...., до
затвору - мінус джерела ..... Для простоти розгляду будемо вва-
тать, що контактна різниця потенціалів, заряд в оксиді і поверхнос-
тні стану відсутні. Тоді властивості поверхневої області, в
відсутність напруги на затворі, нічим не відрізняються від властивостей по-
лупроводніков в обсязі. Опір між стоком і витоком дуже ве-
лико, так як стоковий р-п-перехід опиняється під зворотним зміщенням.
Подача на затвор негативного зсуву спочатку призводить до освітньої
нію під затвором збідненого області, а при певній напрузі .....
званому пороговим, - до утворення інверсійної області, соедіняю-
щей р-області витоку і стоку провідним каналом. При напрузі на
затворі вище ...... канал стає ширшим, а опір стік-витік
- менше. Вже згадана структура є, таким чином,
Керуючий резистори.
Однак опір каналу визначається тільки напругою на
затворі лише при невеликих напругах на стоці. Зі збільшенням .....
носії з каналу йдуть в стоковий область, збіднений шар у стоко-
вого np-переходу розширюється і канал звужується (рис. 4, в). зависи-
ність струму ..... від напруги на стоці ....... стає нелінійної.
При звуженні каналу число вільних носіїв струму під затвором
зменшується в міру наближення до стоку. Щоб струм в каналі був одним
і тим же в будь-якому його перетині, електричне поле вздовж каналу має
бути, в такому випадку, неоднорідним, його напруженість повинна рости по
міру наближення до стоку. Крім того, виникнення градієнта концен-
ції вільних носіїв струму уздовж каналу призводить до виникнення
дифузійної компоненти щільності струму.
При певній напрузі на стоці ........ канал у стоку перекриваються
ється, при ще більшому зсуві канал коротшає до витоку (рис.
4, г). Перекриття каналу проте не призводить до зникнення струму стоку,
оскільки в збідненим шарі, перекрили канал, електричне поле тя-
немає дірки вздовж поверхні. Коли носії струму з каналу внаслідок
дифузії потрапляють в цю область, вони підхоплюються полем і перебраси-
вають до стоку. Таким чином, у міру збільшення напруги на стоці
чисто дрейфовий механізм руху носіїв струму уздовж каналу сменяет-
ся дифузійно-дрейфовим.
Механізм протікання струму в МДП-транзисторі при зімкнутому каналі
має деякі спільні риси з протіканням струму в назад-зміщеному
np-переході. Нагадаємо, що в np-переході неосновні носії струму
потрапляють в область просторового заряду переходу внаслідок діффу-
зії і потім підхоплюються його полем.
Як показують теорія і експеримент, після перекриття каналу ток
стоку ....... практично насичується (рис. 5). Значення струму насичення
ня залежить від напруги на затворі .....: чим вище ....., тим ширше
канал і тим більше струм насичення (на малюнку ......................).
Це типово транзисторний ефект - напругою на затворі (у вхідній
ланцюга) можна управляти струмом стоку (струмом у вихідному ланцюзі). характер-
ної особливістю МДП-транзисторів є те, що його входом служить
конденсатор, утворений металевим затвором, ізольованим від по-
лупроводніка. Струм витоку затвора типових МДП-транзисторів складають
........ А і можуть бути зменшені до ...... А. У розглянутому тран-
зісторе використовується ефект поля, тому такі транзистори називають-
ся польових. На відміну від транзисторів типу pnp або npn, в кото-
яких відбувається інжекція неосновних носіїв струму в базову область, в
польових транзисторах струм переноситься тільки основними носіями. Пое
тому такі транзистори називаються також уніполярні.
На кордоні розділу напівпровідник - діеллектріка в забороненої зо-
НЕ напівпровідника існують енергетичні стану, звані по-
поверхневих або, точніше, станами границі розділу (рис. 6). хвиле-
ші функції електронів в цих станах локалізовані поблизу повер-
хности розділу в областях порядку постійної грати. Причина виник-
новения розглянутих станів полягає в неідеальної границі раз-
справи напівпровідник - діеллектріка (оксид). На реальних межах разде-
ла завжди є деяка кількість обірваних зв'язків та порушується
стехіометрії складу оксидної плівки діеллектріка. Щільність і харак-
тер станів границі розділу істотно залежать від технології ство-
ня діеллектріческой плівки.
Наявність поверхневих станів на межі поділу напівпровідник
- діеллектріка негативно позначається на параметрах МДП-транзистора,
так як частина заряду, наведеного під затвором в напівпровіднику, зах-
вативается на ці стани.Успіх у створенні польових транзисторів
розглянутого типу був досягнутий після відпрацювання технології ство-
ня плівки ....... на поверхні кремнію з малою щільністю состоя-
ний кордону розділу ...........
У самому оксиді кремнію завжди існує позитивний "вбудовано
ний "заряд, природа якого досі до кінця не з'ясована. значен
ня цього заряду залежить від технології виготовлення оксиду і часто
виявляється настільки великим, що якщо в якості підкладки ис-
користується кремній р-типу провідності, то у його поверхні образует-
ся інверсійний шар вже при нульовому зміщенні на затворі. такі тран-
зістори називаються транзисторами з вбудованим КАНАЛОМ. Канал в них
зберігається навіть при подачі на затвор деякого негативного зміщення
ня. На відміну від них в транзисторах, виготовлених на п-підкладці, в
якої для освіти інверсійного шару потрібно занадто великий
заряд оксиду, канал виникає тільки при подачі на затвор напруги
....., що перевищує деяке порогове напруга ........ за знаком
це зміщення на затворі повинно бути негативним для транзисторів з
п-підкладкою і позитивним в разі р-підкладки.
До уніполярним транзисторів відносять також транзистори з управляю-
щим п-р-переходом, структуру яких схематично представлена на рис.
7, а. Канал провідності в таких транзисторах являє собою вузьку
область у вихідному напівпровіднику, не зайняту збідненим шаром п-р-пе-
рехода. Шириною цій області можна управляти, подаючи на п-р-перехід
зворотне зміщення. Залежно від цього зміщення змінюється початкова
опір стік-витік. Якщо при постійній напрузі на р-п-пере-
Під час зміщення сток-витік збільшувати, канал звужується до стоку і ток
стоку зростає з напругою повільніше, ніж при малих зсувах. при пе-
рекритіі каналу (рис. 7, б) струм стоку виходить на насичення. як меха-
нізм протікання струму по каналу такого транзистора, так його вихідні
характеристики дуже близькі до характеристик МДП-транзистора.
Вхідний опір польових транзисторів на низьких частотах є при-
ляется чисто ємнісним. Вхідна еікость ..... утворюється затвором і
неперекритих частиною каналу з боку витоку. Так як для заряду цієї
ємності струм повинен протікати через неперекриту частина каналу з сопро-
опором ......., то собмтвенная постійна часу транзистора рав-
на ........... Це час, однак, дуже мало, і в інтегральних схе-
мах, що застосовуються, наприклад, в цифровий обчислювальної техніки, дли-
ність перехідних процесів визначається не їм, а паразитними ем-
кістками схеми і вхідними ємностями інших транзисторів, підключених до
виходу даного. Внаслідок цього при виготовленні таких схем стремят-
ся зробити вхідну ємність якомога меншою за рахунок зменшення довжин
ни каналу і суворого суміщення кордонів затвора з кордонами стоку і ви-
струму.
При великій напрузі на стоці МДП-транзистора область об'ємно-
го заряду від стокової області може поширитися настільки сильно,
що канал взагалі зникне. Тоді до стоку кинуться носії з сильно
легованої Істоковий області, точно так само як при "проколі" бази
біполярного транзистора (див "Твердотельная електроніка" Г.І.Епіфанов,
Ю.А.Мома # 12.2 і ріс.12.19).
При досить великій напрузі на стоці може також виник-
нуть звичайний пробою обратносмещенного стокового р-п-переходу. вихід-
ні характеристики МДП-транзистора, що включають ділянки пробою, перед-
ставлені на рис. 8.
__._______________________ F _ <____ D: \ EDITORS \ WD \ 1.FRM -__ єy▌; №; _4Ч6ж_h_R _MIч58√Cщь $ kзя_ь-P: SИ _ *. MACC_
веМГn ■ _Т ^ P┬√M
Ма ___ @ ∙ J№цTч┴ · DL▄ ■ иш├: ┬ОE¤╥ .__ ф_бr АДЮяз╞ # _
|