Cтепаненко - Основы микроэлектроники (Основы Микроэлектроники (книга)), страница 17

Вариантом выпрямляющих контактов является контакт, в котором вблизи границы с металлом образуется инверсионный слой, т.е. слой с противоположным типом проводимости. Ванная диаграмма контакта, содержащего инверсионный р-слой, показана на рис. 3.12. Этот случай характерен для сильного искривления зон, т.е. для больших контактных разностей потенциалов дмз, когда вблизи границы уровень электростатического потенциала пересекает уровень Ферми. Толщина инверсионного слоя, как уже отмечалось, не превышает 1 — 2 нм.

З.З. Контакты полупроаодннк-металл ез Диоды Шотткн. Важнейшей особенностью диодов Шоттки по сравнению с р-л-переходом является отсутствие инжекции не- основных носителей. Эти диоды, как говорят, работают на основных носителях. Отсюда следует, что у диодов Шоттки отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рас- СаСЫВаНИЕМ НЕОСНОВНЫХ НОСИтв рне. З.1З. Зоннал диаграмма конлей в базе. Отсутствие диффузи- такта, прн котором оераэуетол анной емкости существенно по- ннаерснонный слой вышает быстродействие диодов при изменениях токов и напряжений, в том числе при переключениях с прямого направления на обратное и с обратного на прямое.

Время таких переключений определяется только барьерной емкостью и у диодов с малой площадью может составлять десятые и сотые доли наносекунды. Соответствующие рабочие частоты лежат в пределах 3-15 ГГц. Не менее важной особенностью диодов Шоттки является значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением на р — и-переходе. Это объясняется тем, что ВАХ у диодов Шоттки описывается той же формулой (3.14), что и у р-л-переходов, но тепловой ток существенно больше, поскольку диффузионная скорость Р(й, характерная для р — л-перехода [см. (3.16)), у диода Шоттки заменяется на среднюю тепловую скорость носителей от.

Последняя превышает величину Р/Ь примерно на 3 порндка. В таком же отношении различаются и тепловые токи. Тогда из формулы (3.18) следует, что прямое напряжение у диодов Шоттки будет примерно на 0,2 В меньше, чем р-п-перехода. Типичным для диодов Шоттки являются прямые напряжения 0,4 В. Что касается обратных токов, то они могут составлять, в зависимости от площади, до 10 ы — 10 1з А, т.е. близки к реальным обратным токам кремниевых р-и-переходов, определяемым термогенерацией. Еще одна особенность диодов Шоттки состоит в том, что их прямая ВАХ строго подчиняется экспоненциальному закону (3.14) в очень широком диапазоне токов — на протяжении нескольких декад, например, от 10 аз до 10 4 А. Отсюда следует Глава 3. Полупроводниковые переходы и контакты возможность использования диодов Шоттки в качестве прецизионных логарифмирующих элементов в соответствии с соотношением (3.18).

Качественные барьеры Шоттки образуются в кремнии при контакте с такими металлами, как молибден, нихром, золото, платина (точнее„сплав платины с кремнием — силицид платины), а также алюминий — основной материал для металлизации в ИС. Невыпрямляющие контакты. Пусть для контакта металла с полупроводником р-типа имеет место неравенство»р~ 3 >О, а для контакта с полупроводником п-типа — неравенство»риз < О (рис.

3.13). Как уже известно, в первом случае злектроны будут переходить из полупроводника в металл и зоны искривятся «вверх», а во втором случае электроны будут переходить из металла в полупроводник и зоны искривятся «вниз». Полупроводник М Полупроводник а) Рнс. 3.13. Зоиные диаграммы невыпрлмллющих контактов металла с полупроводником: а — контакт с полупроводником Ртипа; о — контакт с полу- проводником л-типа В таких контактах вблизи границы в полупроводнике накапливаются основные носители, т.е. получаются обогащенные слои. Их протяженность составляет сотые доли микрометра.

Как видно из рис. 3.13, мы приняли очень небольшие контактные разности потенциалов, поэтому искривление зон незначи- 95 3.4. Грающа велупреведивк-диэлеиервк тельное н полупроводники остаются невырожденнымн. Бели принять значения имз = 0,1 — 0,2 В н более, то искривление зон будет значительно сильнее н вблизи границы уровень Ферми будет проходить через соответствующую разрешенную зону. На этом участке полупроводник превращается в полуметалл с ннчтожным удельным сопротивлением. Наличие обогащенного слоя означает, что сопротивление системы в целом определяется нейтральным слоем полупроводннка н, следовательно, не зависит нн от величины, нн от полярностн приложенного напряження. Такие невыпрямляющне комбинацнн металла с полупроводником называют омическими контактами.

Омнческне контакты осуществляются в местах прнсоедннення выводов к полупроводниковым слоям. Получение омнческнх контактов — задача не менее важная, чем получение выпрямляющнх контактов. Помимо двусторонней проводимости, важным свойством омнческого контакта является ничтожное время жизни избыточных носителей в обогащенном слое. Поэтому прн анализе полупроводниковых приборов обычно считают, что концентрации избыточных носителей на омнческом контакте равны нулю. В микроэлектронике в настоящее время наиболее распространенным металлом для омнческнх контактов является алюмнннй. 3.4, Граница полупроводник — диэлектрик Прнповерхностный слой полупроводника — это особая область.

Имеет кристаллическую структуру, содержит адсорбнрованные примеси, характерен наличием особых энергетнческнх уровней н т.п. Соответственно, прнповерхностному слою свойственны своп значения подвижности, времени жизни н других электрофнзнческнх параметров. Общая характеристика границы 31 — ЯОз. Свойства среды, с которой граничит полупроводннк„оказывают влияние на свойства прнповерхностного слоя.

Примером могут служить границы (контакты) полупроводников с металлами, рассмотренные в предыдущем разделе. Как было показано, наличие металла на поверхности полупроводника приводит к образсванню в последнем обедненных нлн обогащенных слоев. Аналогичные 96 Глава 3. Пелупреведиикевые переходы и кеитакты процессы имеют место на границе полупроводника с диэлектриком. Особый интерес представляет граница кремния с двуокисью кремния, поскольку поверхность всех современных полупроводниковых ИС защищается окисным слоем. Кроме того, в структурах МДП (рис.

2.13), выполненных на основе кремния, в качестве диэлектрика тоже, как правило, используется слой 8(Оз. Поэтому ниже, говоря о границе полупроводник — диэлектрик, будем подразумевать структуру 31 — БгОз. Главная особенность слоев (пленок) двуокиси кремния, используемых в ИС„состоит в том, что они всегда содержат примеси донорного типа. Наиболее распространенными примесями такого типа являются натрий, калий и водород. Все они содержатся в типовых растворах, которыми обрабатывают поверхности кремния и его окисла. Донорные примеси, свойственные пленке 310г, сосредоточены вблизи границы с кремнием. Поэтому в пленке ЯРОг на границе с кремнием образуется тонкий слой положительно заряженных донорных атомов, а отданные ими электроны переходят в приповерхностный слой кремния.

Последствия такого перехода зависят как от типа проводимости полупроводника, так и от концентрации донорных примесей в диэлектрике. Поскольку донорные атомы сосредоточены в очень тонком слое диэлектрика, объемная концентрация (см з) оказывается неудобным параметром и вместо нее используют поверхностную концентрацию (см г). Характерными значениями поверхностной концентрации доноров в двуокиси кремния являются Фх з,о = (0,5-2,0) 10 см Если кремний имеет проводимость п-типа, то электроны, перешедшие в него из окисла, обогащают его приповерхностный слой основными носителями: образуется так называемый и-какал (рис. 3.14, а). Если же кремний имеет проводимость р-типа, то электроны, перешедшие в него из окисла, либо обедняют приповерхностный слой, «обнажая» отрицательные ионы акцепторов (рис. 3.14, б), либо образуют наряду с обедненным слоем тонкий инверсионный л-слой (рис.

3.14, в). Возникновение незапланированных каналов под слоем Я10г в приборах, работающих как с использованием р — п-переходов, так и МДП, может нарушить структуру этих приборов и нормальную работу элементов ИС. Контрольные вопросы Рло Иго Рло а) б) е) я ионы акиепторов; Я) иовы доноров; — алектроны Рис.

3.14, Приповерхностная структура кремния на граннпе с окислом: а — обогащенный слой, б — обедненный слой, е — обедненный слой с инверсионным каналом Контрольные вопросы 1. Что такое металлургическая граница? 2. Дайте классификацию переходов. 3. Поясните роль обедненного слоя. 4. Чем определяется величина потенциального барьера перехо- да? 5. В чем разница между несимметричным и плавным перехо- дом? 6. Что такое прямое напряжение и как изменяется величина потенциального барьера в результате его воздействия? 7. Поясните влияние обратного напряжения на величину по- тенциального барьера.

8. Какова зависимость ширины перехода от полярности и ве- личины приложенного напряжения? 9. Поясните структуру токов в п-р-переходе. 10. Нарисуйте ВАХ идеализированного р-п-перехода. 11. В чем отличие нормального режима работы р-и-перехода от микрорежима? 12. Что называют напряжением открытого перехода У* и како- вы его величины при нормальном и микрорежиме? 13. Какова величина диффузионного сопротивления р — п-пере- хода? 14.

Что такое ток термогенерации? 15. Охарактеризуйте виды пробоя р — и-перехода. 16. В чем отличие диффузионной емкости от барьерной? 4 — 3423 Глава 3. Полупроводннковые переходы н контакты 17. Нарисуйте зонную диаграмму выпрямляющего контакта металла с полупроводником л-типа. 18. Нарисуйте зонную диаграмму выпрямляющего контакта металла с полупроводником р-типа. 19, Что такое барьер Шоттки? 20. Каковы основные качества диода Шоттки? 21. В чем преимущества диода Шоттки по сравнению с обычным р-и-переходом? 22. В чем заключается влияние границы полупроводник — дизлектрик на работу МДП-структуры? Гнева 4 Униполярные транзисторы 4.1. Введение Транзисторами называют полупроводниковые усилительные приборы, т.е.