Практикум по микроэлектронике (стр. 49 )

Свойства МДП структуры.

В основе работы полевых транзисторов с изолированным затвором лежат свойства МДП структуры (рис. 81).

Рис. 81. Пример МДП структуры

По существу эта структура представляет плоский конденсатор одной из обкладок которого служит металл (затвор), второй полупроводник. Особенность такого МДП конденсатора по отношению к классическому МДМ конденсатору в том, что в объеме полупроводника заряд может быть связан с носителями разной физической природы и разной полярности: свободными электронами и дырками, заряженными положительно ионизованными донорами, заряженными отрицательно ионизованными акцепторами, а так же заряженными дефектами. В МДП структуре в отличие от pn перехода существует гетерограница разделяющая две среды с различной структурой это, например, граница разделяющая полупроводник и его окисле или другой диэлектрик или полупроводник и воздух (вакуум). На свободной границе полупроводника имеется большое количество оборванных связей стремящихся захватить заряд из объема полупроводника, а так же связей вступивших в реакцию с соседней средой и пассивированных этой средой, кроме того на поверхности могут находиться посторонние примесные атомы и ионы. Таким образом на свободной поверхности и гетеропереходе металл-диэлектрик уже в начальном состоянии может находиться некоторый заряд, который индуцирует равный ему по величине и противоположный по знаку заряд в объеме полупроводника. На рис. 82 показана схема поверхности частично пассивированной радикалами ОН и атомами О, а так же соответствующие поверхностным дефектам поверхностные энергетические состояния, дающие дополнительные уровни в запрещенной зоне, которые локализованы вблизи поверхности.

Рис. 82. Диаграмма, поясняющая возникновение поверхностных состояний на границе кристалла.

Если зарядить одну из обкладок МДП конденсатора - затвор, то на второй - полупроводниковой обкладке должен появиться заряд равный по величине и противоположный по знаку, который будет связан с поверхностными состояниями, ионизованными атомами примеси и свободными носителями заряда. Если индуцированный внешним полем заряд на полупроводниковой обкладке превышает изменение заряда на поверхностных состояниях, то в приповерхностной области полупроводника происходит изменение концентрации свободных носителей заряда, что сопровождается изменением поверхностной проводимости (см. рис. 83) и соответственно протекающего вдоль поверхности тока, в случае если имеется направленное вдоль поверхности поле, как это показано на вставке рис. 83.

Рис. 83. Изменение поверхностной проводимости полупроводнка в МДП структуре (эффект поля):

1 - полупроводник n типа, 2 - собственный полупроводник, 3 - полупроводник p типа.

В той приповерхностной полупроводниковой области, где существует электрическое поле имеется обедненная носителями область пространственного заряда, аналогичная по свойствам области ОПЗ pn перехода, работающая как диэлектрик. При изменении потенциала на металлической (затворе) обкладке МДП конденсатора будет изменяться заряд ОПЗ и соответственно ширина обедненной области. При этом будет изменяться емкость МДП структуры. Зависимости емкости МДП структур от напряжения показаны на рис. 84. Емкость МДП структуры можно рассматривать как состоящую из двух последовательно включенных емкостей: емкости диэлектрика - Сд и емкости слоя пространственного заряда в полупроводнике Спп.

(6_13)

Если Сд >> Спп, то можно с хорошим приближение считать, что емкость структуры определяется емкость ОПЗ, т. е. С = Спп.

Если Спп >> Сд, то приближенно можно считать, что С = Сд, поэтому максимальное значение емкости на рис. 84 ограничено линией С = Сд.

Рис. 84. Изменение емкости МДП структур от напряжения на затворе: 1 - полупроводник n типа, 2 - собственный полупроводник, 3 - полупроводник p типа.

Следует обратить внимание на то, что на всех кривых рис. 83 и рис. 84 имеются точки минимума. Это точки соответствуют случаю минимальной поверхностной проводимости, которая имеет место когда на поверхности концентрации электронов и дырок близки к собственной и равны друг другу, тогда увеличение потенциала затвора относительно значения соответствующего точке минимума должно обогащать поверхность дырками а уменьшение потенциала относительно потенциала точки минимума должно обогащать поверхность дырками. При этом соответственно с разных сторон от точки минимума должен наблюдаться разный тип проводимости в приповерхностной области.

Рис. 84. Энергетические диаграммы приповерхностной полупроводниковой области n - типа при различных значениях напряжения на МДП структуре (см. рис. 82 и 83): т. А - начальное состояние (UзA = 0), т. B - обеднение (UзB < 0), т. C инверсия (UзC < UзB < 0), т. D обогащение (UзD > 0)

На рис. 84 показаны энергетические диаграммы МДП структуры при раличных значениях потенциала Uз. В качестве примера выбран материал n типа. Точка A соответствует случаю нулевого потенциала затвора. Поскольку материал n типа уровень Ферми находится в верхней половине запрещенной зоны и для концентрации электронов в глубине материала можно записать (через собственную концентрацию ni):

(6_14)

где φо = 1/q(Ei - F). При записи (6_14) считалось, что в собственном полупроводнике уровень Ферми находится при Eiв (примерно в середине запрещенной зоны). На рис. 84 для точки A вблизи поверхности наблюдается искривление зон (и соответственно Ei), что свидетельствует о наличии поверхностного потенциала φs = 1/q(Eis - F) заряда захваченного поверхностными состояниями (Ns). Для поверхностной концентрации электронов ns и дырок ps аналогично как в (6_14) можно записать:

(6_15)

Как видно из рис. 84 для т. А φs< φо и следовательно вблизи поверхности концентрация электронов ниже, чем в объеме, т. е. существует некоторое начальное обеднение поверхности основными носителями заряда.

При подаче на затвор отрицательного потенциала будет происходить дальнейшее обеднение поверхности электронами и при некотором напряжении на структуре (т. B на рис. 84) φs станет равным 0. При этом в соответствии с (6_15) для поверхностные концентрации равны: ns = ps = ni. При дальнейшем увеличении отрицательного заряда на затворе будет иметь дальнейшее искривление зон и φs изменяет знак, при этом (см. 6_15) ps> ns > ni и ns < ni, т. е. на поверхности происходит изменение типа проводимости - инверсия знака носителей на поверхности относительно объем (т. C на рис. 84). И чем больше отрицательный заряд на затворе, тем больше дырочная проводимость на поверхности.) Напряжение на затворе, приводящее к инверсии проводимости, принято называть пороговым (Uп), если |φs| = 2(Ec - F).

Если на затвор подать положительное напряжение величина φs возрастает соответственно (см. 6_15) концентрация электронов увеличивается. Действительно электрическое поле вблизи поверхности будет притягивать электроны и отталкивать дырки (их концентрации уменьшается). Когда поверхность обогащается основными свободными электронами или дырками (в случае инверсии) ширина ОПЗ стремится к нулю и емкость структуры определяется только толщиной диэлектрика. В этом случае обогащенная свободными носителями поверхность полупроводника ведет себя подобно поверхности металла.

Тесты

1. На какие группы можно разделить полупроводниковые приборы?

A) Биполярные

B) униполярные

C) Биполярные и униполярные

D) усилительные

E) пассивные

2. По реакции на входной сигнал приборы бывают…

A) Биполярные

B) униполярные

C) преобразовательные

D) усилительные(активныe), преобразовательные и пассивные

E) пассивные

3. Какой из ниже перечисленных приборов увеличивают мощность входного сигнала за счет энергии, поступающей из источника питания?

A) Биполярные

B) униполярные

C) усилительные(активныe)

D) преобразовательные

E) пассивные

4. Какие из ниже перечисленных приборов не обладают усилительными свойствами?

A) Биполярные

B) униполярные

C) усилительные(активныe)

D) преобразовательные

E) пассивные

5. Какие из приборов преобразуют форму сигнала, при этом они могут быть как усилительными, так и пассивными?

A) Биполярные

B) униполярные

C) усилительные(активныe)

D) преобразовательные

E) пассивные

6. Определите обозначение диода.

A) стабилитрон

B) туннельный

C) выпрямительный и детектирующий

D) варикап

E) светоизлучающий

7. Определите обозначение диода.

A) выпрямительный и детектирующий

B) стабилитрон

C) туннельный

D) варикап

E) светоизлучающий

8. Какой ряд признаков используется для классификации полупроводниковых приборов, нашедшей отражение в их маркировке?

A) материал

B) тип

C) эксплуатационные характеристики

D) конструктивные и технологические особенности прибора

E) Все ответы правильные

9.Определите обозначение диода .