Лк17 (Лекции в ворде)

18. МДП–структура

18.1. Идеальная МДП-структура

Если на окисел, покрывающий поверхность кристалла, нанести металлический электрод (затвор), то, изменяя его потенциал относительно объема кристалла, возможно изменять величину заряда в приповерхностной области полупроводника и, соответственно, её проводимость. Этот эффект положен в основу целого ряда полупроводниковых устройств, среди которых самое известное – МДП-транзистор.

Рассмотрим идеальный МДП-конденсатор, энергетическая диаграмма которого представлена на рис. 18.1.

Рис. 18.1 Идеальный МДП-конденсатор

Напомню (см. Лк 7), что состояние носителей в разнородных материалах (металл – диэлектрик - полупроводник) можно сравнить, используя понятие нулевого потенциала, т. е. принимая потенциал какой-либо точки (например, потенциал вакуума) за нуль (рис. 18.1). Тогда для перевода электрона со дна зоны проводимости полупроводника в вакуум без сообщения ему скорости потребуется энергия q·χ, равная:

.

(18.1)

Энергия q·χ есть энергия электронного сродства. Сродство количественно измеряется энергией, которую нужно затратить, чтобы перевести электрон с уровня Е_c на вакуумный уровень. χ – сродство к электрону полупроводника (electron affinity – способность присоединить электрон). Если энергию электрона отсчитывать от энергии Ферми, а не от , используют понятие термоэлектронной работы выхода или просто работы выхода Φ:

.

(18.2)

Таким образом, работа выхода равна разности между энергией покоящегося электрона в вакууме у поверхности образца полупроводника и уровнем Ферми в данном полупроводнике.

На границе металл-диэлектрик, диэлектрик-полупроводник, а в отсутствии диэлектрика на границе металл-полупроводник возникает контактная разность потенциалов:

.

(18.3)

Для случая «идеальной» МДП-структуры делается ряд допущений:

1. Разность работ выхода между металлом затвора и диэлектриком, диэлектриком и полупроводником, равна нулю или для потенциалов:

для n-типа: , для p-типа: .

(18.4)

Здесь – разность между уровнем Ферми F и положением уровня Ферми в собственном полупроводнике E_i. Условие означает, что в отсутствие внешнего напряжения энергетические зоны полупроводника не изогнуты (состояние плоских зон).

1. В диэлектрике и на границах раздела металл-диэлектрик и полупроводник-диэлектрик нет никаких зарядов, т.е. диэлектрик не имеет дефектов. При любых смещениях в структуре могут существовать только заряд в ее полупроводниковой части и равный ему заряд противоположного знака на металлическом электроде, отделенном от полупроводника слоем диэлектрика.

2. Диэлектрик является идеальным изолятором.

Если к МДП-конденсатору приложить электрическое напряжение, то его обкладки зарядятся. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения поверхность полупроводника, будет обогащаться или обедняться основными носителями, или произойдет инверсия проводимости, в том случае, когда концентрация неосновных носителей заряда станет больше чем основных. Энергетические диаграммы, соответствующие различным потенциалам затвора приведены на рис. 18.2 (потенциал в глубине полупроводника принят равным 0).

Для примера рассмотрим полупроводник p-типа.

При отрицательном потенциале на затворе (V_g<0) к поверхности подтягиваются дырки, и их поверхностная концентрация относительно равновесной возрастает. Это – режим обогащения приповерхностной области полупроводника основными носителями заряда.

При подаче небольших положительных потенциалов на затвор электрическое поле отталкивает дырки от поверхности, и их концентрация вблизи поверхности уменьшается (режим обеднения), но их концентрация все еще превосходит концентрацию электронов, подтянутых электрическим полем к поверхности, так что тип проводимости приповерхностной области остается дырочным, т.е. приповерхностная область обедняется основными носителями заряда относительно объема.

При дальнейшем увеличении потенциала затвора концентрация электронов в приповерхностной области становится больше концентрации дырок в объеме, т.е. происходит изменение (инверсия) типа проводимости.

Рис. 18.2. Энергетические диаграммы при различных смещениях

Аналогичные явления будут иметь место для полупроводника n-типа (при этом искривление зон на диаграммах будет направлено в другую сторону).

В общем случае концентрации носителей изменяются по законам:

	(18.5)
	(18.6)

Здесь – потенциал уровня Ферми, – потенциал собственного полупроводника (его часто принимают за нулевой), φ_T=kT/q – тепловой потенциал равный 0,026 В при комнатной температуре.

Для p-типа

,

(18.7)

для n-типа

,

(18.8)

где n_i–собственная концентрация носителей.

Изменение поверхностного заряда индуцирует изменение заряда в объеме полупроводника, что сопровождается изменением изгиба зон вблизи поверхности.

Если величина энергии q∙φ(x) измеряется относительно середины запрещенной зоны (рис. 18.3), то зная величину потенциала φ(x), возможно рассчитать распределение носителей заряда в приповерхностной области:

.	(18.9)
Рис. 18.3

Для характеристики этого изгиба будем использовать понятие поверхностного потенциала φ_s.

Проведем оценку толщины обедненного слоя для структуры, представленной на рис. 18.3 в случае обеднения. Пусть полупроводник имеет только акцепторную примесь. Тогда уравнение Пуассона примет вид:

(18.10)

Интегрируя с граничными условиями φ=0, при x=w, получим: . , отсюда – ширина ОПЗ, таким образом, толщина слоя ОПЗ тем больше, чем больше поверхностный потенциал и чем слабее легирован полупроводник.

МДП-транзистор

МДП-транзистор называют также транзистором с изолированным затвором, так как в отличие от ПТУП затвор от полупроводника изолирован окислом (рис.18.4).

с индуцированным каналом со встроенным каналом каналом p-канальный n-канальный p-канальный n-канальный

Рис. 18.4 Условные обозначения МДП-транзисторов

Обычно в качестве диэлектрика используют оксид (оксид кремния SiO₂), поэтому говорят о МОП-транзисторах (со структурой металл-оксид-полупроводник).

МДП-транзистор создан на основе МДП-структуры, в которой использован эффект управления поверхностными свойствами полупроводника за счет изменения потенциала затвора.

Для обеспечения прохождения управляемого тока под затвором создают две дополнительные электродные области: исток и сток. Полупроводниковые области истока и стока создают из сильно легированного, обладающего хорошей проводимостью, материала, отличающегося по типу от материала базового кристалла (рис.18.5).

Рис. 18.5. МДП-транзистор со встроенным каналом

Проводящий канал расположен между стоком и истоком. Расстояние между областями стока и истока определяет длину канала L.

За сток принимается тот электрод, к которому дрейфуют основные носители канала, т.е. в n-канальном транзисторе сток должен быть под положительным потенциалом относительно истока, а в p-канальном – под отрицательным. Затвор в МДП-транзисторе изолирован от полупроводниковой подложки тонким слоем диэлектрика.

МДП-транзисторы применяют двух типов: со встроенным и индуцированным каналами. Транзистор со встроенным каналом, имеющим ту же проводимость, что и сток-истоковые области, при нулевом напряжении на затворе открыт. Уменьшение тока на выходе МДП-транзистора со встроенным каналом обеспечивается подачей на управляющий электрод – затвор – напряжения U_з с полярностью, соответствующей знаку носителей заряда в канале: для p-канала U_з>0, для n-канала U_з<0. Напряжение затвора U_з указанной полярности вызывает обеднение канала носителями заряда, сопротивление канала увеличивается, и выходной ток уменьшается. Если у транзистора со встроенным каналом изменить полярность напряжения на затворе, то произойдет обогащение канала носителями заряда и увеличение выходного тока. Таким образом, транзистор со встроенным каналом может работать при напряжениях на затворе обеих полярностей как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом – это нормально открытый прибор.