11_semi2_2018_apr15 (1182303), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Для его получения на слой полупроводника(кремния n или p-типа) наносится слой диэлектрика (оксида кремния SiO 2), поверх которогонапыляется металлический электрод (называемый затвором, «gate» в англоязычнойлитературе). Такую структуру (рисунок 11) также называют МОП-транзистором (металлоксид-полупроводник), а в англоязычной литературе иногда обозначают аббревиатуройMOSFET (по первым буквам определения metall-oxide-semiconductor field effect transistor).Изменяя потенциал электрода можно создать электрическое поле внутри полупроводника,которое будет либо притягивать, либо отталкивать электроны от границы. Возникающее вполупроводнике перераспределение зарядов будет экранировать поле электрода, в результатевозникнет изгиб зон вблизи границы, который может привести к образованию потенциальнойямы для электронов.Для простоты будем считать, что при нулевом потенциале затвора уровень Ферми металла иуровень химпотенциала в полупроводнике совпадают.
18 Ширину запрещённой зоны впрослойке оксида считаем очень большой. Диэлектрические проницаемости оксида иполупроводника могут различаться, например для оксида кремния SiO2 ϵ≈3.8 , а длякремния ϵ≈12 . Это отличие необходимо учитывать при расчёте электрического поля вМОП-структуре.Отметим, что, в отличие от p-n перехода под напряжением, постоянного тока через МОПструктуру не течёт. То есть, рассматривая распределение электронов мы имеем дело состационарной задачей и в равновесии для электронов внутри полупроводникаμ−e ϕ=const . Будем считать, что потенциал полупроводника вдали от контактаподдерживается равным нулю.18 Наша цель в этом разделе показать, что подстройкой потенциала затвора можно создать квантовую яму дляносителей заряда.
В общем случае опять надо стартовать с правила Шоттки-Мотта для выбора общегоначала отсчёта энергии при построении зонной структуры. Несовпадение уровней химпотенциалаполупроводника и энергии Ферми металла приведёт к возникновению некоторого изгиба зон и в отсутствиевнешнего напряжения. Этот «собственный» изгиб зон можно скомпенсировать приложением подходящегокомпенсирующего напряжения V комп к затвору, тогда все дальнейшие рассуждения будут верны, тольковместо приложенного напряжения V внеш необходимо подставить отличие приложенного напряжения инапряжения компенсации (V внеш −V комп ) .стр.
25 из 2815.04.2018Рисунок 12: Энергетическая диаграмма полевого транзистора. Слева вверху: при равныхпотенциалах полупроводника и металла. Справа вверху: зависимость электрическогопотенциала от расстояния от границы при приложении к МОП-структуре внешнегонапряжения (положительный потенциал металла). Справа внизу: представлениеэнергетической диаграммы для полной энергии.Будем для определённости рассматривать МОП-структуру с полупроводником p-типа иограничимся случаем положительного (то есть притягивающего электроны) напряжения назатворе.
Металлический затвор является эквипотенциальным. Если бы полупроводник былметаллом с большим количеством носителей заряда, то и он бы был эквипотенциален и всёизменение потенциала происходило бы в слое оксида. Из-за малого количества носителейзаряда в полупроводнике изменение потенциала в полупроводнике происходит плавно.
Принизкой температуре условиями на потенциал являются:( )( )dϕdϕ=ϵ semidx oxdx 0,2d ϕϵ semi 2 =4 π e n( x)dxϵ oxстр. 26 из 2815.04.2018здесь ϵ ox ,semi - диэлектрические проницаемости оксида и полупроводника, границасчитается плоской, ось X направлена вглубь полупроводника и ноль отсчёта координатысчитается на границе полупроводник-оксид.
Уравнение Пуассона написано для pполупроводника (это определяет выбор знака в правой части, сравните с анализом p-nперехода на стр. 11), n (x) — это и концентрация электронов локализованных наакцепторных центрах, и концентрация электронов в приповерхностном инверсном слое, еслион образуется. Эти электроны будут инжектированы из внешней цепи при подключенииисточника напряжения.Таким образом, потенциал ϕ ( x ) имеет излом на границе полупроводник-оксид, дляконтакта SiO2-Si наклон графика ϕ ( x ) в оксиде втрое круче. Это позволяет в принципенайти зависимость потенциала от координаты в МОП-структуре, в случае появленияприповерхностного слоя это потребует решения самосогласованной задачи (концентрацияэлектронов в приповерхностном слое определяется формой потенциала).
Мы ограничимсякачественным построением энергетической диаграммы, для которого примем как данность,что большая часть изменения потенциала происходит внутри полупроводника (это вопросподбора параметров МОП-структуры, из опыта известно, что такие структуры существуют).Тогда далее по той же логике, что и для стационарного распределения зарядов в p-n переходе,перестроим схему зонной структуры от «кинетической» к полной энергии, что соответствуетвычитанию зависимости e ϕ( x) (рисунок 12). В этом представлении в полупроводникеуровень химического потенциала (теперь это электрохимический потенциал) станетпостоянным, границы зон и примесной уровень искривятся вниз, электрохимическийпотенциал металла опустится на e V внеш .19 Внутри диэлектрика в силу линейности ϕ ( x )μ( x)зависимостьстанет также линейна.
Из-за изменения электростатическогопотенциала внутри металла относительное расположение уровня Ферми в металле и потолкавалентной зоны изменится по сравнению с тем, как они были расположены при нулевомнапряжении.По полученной диаграмме видно, что инжектируемые в полупроводник электроны сначалазанимают места на акцепторных примесях, формируя обеднённый слой, а при достаточнобольшом напряжении и занимая места в зоне проводимости вблизи границы. Электроны вприграничном слое частично инжектируются из внешней цепи, частично могут переходитьиз валентной зоны вдали от поверхности, соотношение этих вкладов зависит отособенностей технологического решения конкретного устройства.Аналогичным образом управляющие электроды-затворы могут быть добавлены и кгетеропереходу, что даст возможность регулировать свойства формирующейся нагетеропереходе ямы.Недостатком кремниевого полевого транзистора является меньшая чем в гетероструктурах наоснове арсенида галлия подвижность носителей заряда.
Преимуществом являетсявозможность управления параметрами квантовой ямы, технологичность изготовления слоядиэлектрика — это просто контролируемое окисление поверхности кремния и высокоекачество диэлектрика: к слою SiO 2 толщиной 100 нм можно приложить напряжение до 100 Вбез заметных утечек, а для AlAs эта величина на порядок меньше и составляет около 10В на100 нм [13].Во избежание недоразумений поясним почему мы говорим как о транзисторе о структуре,при описании которой пока упоминается лишь один электрод. В действительности нужны и19 Отличие уровня электрохимпотенциала металла от уровня электрохимпотенциала в полупроводнике непротиворечит условию μ−e ϕ=const так как электроны могут перейти из полупроводника в металлтолько через источник напряжения, который совершит над ними работу.стр. 27 из 2815.04.2018дополнительные электроды — в рассмотренном примере нам нужно как-то «ввести» вакцепторный полупроводник дополнительные электроны для получения двумерногоэлектронного газа, для изучения транспортных свойств этого двумерного газа нужнонесколько электродов.
Схематический пример такого прибора из [12] показан на рисунке 11.В простейшем случае создаются два электрода по разные стороны от накрытого затворомпространства, эти электроды традиционно называют исток и сток (в англоязычнойлитературе «source» и «drain»). Эти электроды получают селективным внедрением примесейn-типа, создающих избыток электронов в областях электродов.
При понижении под затворомдна зоны проводимости ниже уровня химпотенциала эти электроны занимают появившиесясостояния вблизи границы полупроводник-диэлектрик.При высоких температурах в отсутствие размерного квантования можно просто заметить, чтоглубина разрешённого для электронов слоя под затвором определяется потенциалом затвора.Соответственно, изменяя затворное напряжение можно изменять сечение канала,соединяющего исток и сток и управлять током в цепи сток-исток.
Это и есть основноесвойство транзистора в радиотехнике. С развитием технологий полученияполупроводниковых структур именно полевые транзисторы являются сейчас основойбольшинства электронных схем, обеспечивая лучшие показатели по размерам иэнергоэффективности, чем «классические» транзисторы на p-n переходах.стр. 28 из 2815.04.2018.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
