Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 67
Текст из файла (страница 67)
После снятия внешнего напряжения в диэлектрике остается большое внутреннее поле, расталкивающее ионы. Однако за конечные времена равновесное распределение ионного заряда по толщине диэлектрика не успевает установиться, что приводит к соотретствующим гистерезисным эффектам. Применительно к конкретным изолирующим слоям каждый из рассмотренных механизмов проводимости обычно доминирует в определенном диапазоне напряжений и температур. Однако при анализе экспериментальных результатов следует принимать во внимание и то, что эти основные механизмы не в полной мере независимы друг от друга.
Так, например, туннельные характеристики с учетом перераспределения электрического поля при больших плотностях пространственного заряда приближаются к форме характеристик, соответствующих эмиссии Шоттки $491. На рис, 33 в качестве примера приведены вольт-амперные характеристики пленок нитрида кремния (50), построенные в так называемых координатах Пула — Френкеля (1и 1 — 1~ У) ° Пленки Яьй, осаждались на подложку из вырожденного кремния п-типа (р = 0,0005 Ом см) в процессе реакции ЯС1, + ХН, при 1000'С. В качестве электрода напылялась пленка золота Ац. Отметим, что при высоких полях зависимости, соответствующие положительным и отрицательным напряжениям, практически идентичны. Небольшое различие этих характеристик при малых полях, по-видимому, связано с отличием высоты энергетических барьеров на границах нитрид — золото и нитрид — кремний.
Отметим также, что при высоких полях ток сквозь пленку нарастает экспоненциально (показатель экспоненты пропорционален корню квадратному из электрического поля), а при малых полях вольт-амперная характеристика является линейной. Было установлено, что при комнатных температурах форма приведенных характеристик практически не зависит от толщины пленки, площади и материала верхнего электрода и полярности напряжения. Все это указывает на то, что проводимость пленок определяют объемные процессы, а не свойства приэлектродной области, как в диодах с барьером Шоттки.
Отметим, кроме того, что при низких 426 Глава 7 Л 4 б б 7 Ю Я 1РО'Т, Х У .Рис. 34, ТемпеРатУРнаЯ зависимость плотности тока в пленках 51вМл [501, Л1,0, [51[ и 510а [52[. температурах проводимость пленок нитрида кремния практически не зависит от температуры. На рис. 34 приведены температурные зависимости плотности тока в трех разных изоляторах. На кривой, полученной для пленки Я,Х, при электрическом поле 5,3 х Х [О' В см ', можно выделить три компоненты: У„У, и У,.
Ток У, обусловлен эмиссией Пула — Френкеля. Он преобладает при высоких электрических полях и сравнительно высоких температурах. Отметим, что величина высокочастотной [динамической) диэлектрической проницаемости, которую можно определить по наклону этого участка характеристики (е; = 5,5), близка к соответствующим значениям, полученным из оптических изме- МДП-структуры.
Приборы с варядовой связью 427 рений (36 !. Ток 1, обусловлен туннельной эмиссией электронов с ловушек в зону проводимости. Он преобладает при низких температурах и высоких электрических полях. Ток У, представляет собой омическую компоненту проводимости, существенную при малых полях и умеренных температурах. Аналогичные свойства проявляют и пленки А1,0, 151). В рассматриваемой области значений электрических полей пленки двуокиси кремния имеют гораздо меньшую электропроводность 152].
Например, при д' = = 6 10' В см ' и комнатной температуре плотность тока в ЯО, составляет -4.10 " А см ', что на много порядков меньше плотности соответствующих токов в пленках Я,Х, и А1 Оь Другой важной характеристикой диэлектрических слоев является максимальная диэлектрическая прочность. Так называют электрическое поле, при котором происходит пробой изолятора. Основными механизмами, определяющими диэлектрическую прочность изоляторов, являются электрический и тепловой пробои [53). Они конкурируют друг с другом, и в конкретных ситуациях доминирующим оказывается тот из них, который происходит при меньшей напряженности электрического поля. Прц низких температурах причиной пробоя диэлектрика обычно являются электрические процессы, и диэлектрическая прочность при этом практически не зависит от температуры.
При высоких температурах происходит тепловой пробой, и диэлектрическая прочность уменьшается с ростом температуры. В качестве примера температурной зависимости диэлектрической прочности на рис. 35 приведены результаты измерений в пленках нитрида кремния. Величину пробивного поля Ю для теплового пробоя можно оценить с помощью выражения (51) полученного в работе 150) из условия равенства тепловых потерь и джоулева тепловыделения в структуре.
Здесь ~оя — высота энергетического барьера, а С вЂ” слабоменяющаяся функция температуры, зависящая от длительности импульса пробивного напряжения. Отметим, что при высоких температурах (рис. 35) значения д' уменьшаются с температурой в соответствии с выражением (51), а низкотемпературное значение д',„ 10' В см '.
Аналогичная температурная зависимость 8' наблюдается и при пробое термически выращенных пленок ЯО,. Кроме того, в них наблюдается зависимость пробивного поля от толщины пленки. Из рис. 36 видно, что д' увеличивается при уменьшении толщины пленки (54, 551. Для пленок ЯО„толщина которых превышает 1000 Л, Р примерно постоянно и составляет 9 х х 10' В см ' (рис. 36, а). Для очень тонких пленок 51Оь напря- 428 Глава 7 р д)р гк лю т ык Г, Л Рис.
35. Температурная зависимость пробивного поля в ЯзИ4 ~50), 153). ЫР й'бб ~УЖ ЛИ Д У,7 1,д 1,б 3 ~ '-"' ~,б 1б т,~ ~р б Ы Я~ 50 ~РР ~ЫР .И~ а',,в Е Рис. 36. Зависимость пробивного поля от толщины пленок 3!О, ~54, 55). а) а =!00 — 2000 Х; б) И = 40 — 300 Х. женность Ю достигает величины 3 10' В см ', которая близка к предельным значениям напряженности электрического поля, при которых происходит разрыв связей Ы вЂ” О (рис.
Зб, б). 429 МДП-структуры. Приборы с варядовой связью 7.4. ПРИБОРЪ| С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ Приборы с зарядовой связью (ПЗС) представляют собой матрицы близко расположенных друг к другу МОП-конденсаторов. Соответствующие последовательности тактовых импульсов на затворах такой матрицы смещают ее отдельные МОП-конденсаторы в режим глубокого обеднения, так что зарядовые пакеты могут храниться под электродами матрицы и контролируемым образом перемещаться вдоль поверхности кристалла, перетекая из-под одних электродов матрицы к соседним электродам.
Основными типами приборов с зарядовой связью являются ПЗС с поверхностным каналом и ПЗС со скрытым каналом. В ПЗС с поверхностным каналом заряды хранятся и переносятся у границы раздела полупроводник — диэлектрик. В ПЗС со скрытв|м каналом благодаря специальному легированию подложки эти процессы происходят в толще полупроводника на некотором удалении от границы с диэлектриком. Отметим также, что при конструировании конкретных микроэлектронных устройств на ПЗС (в зависимости от их назначения) применяются различные схемы организации тактового питания и взаимного расположения затворов.
7.4.|. Хранение заряда Основным элементом ПЗС (с поверхностным каналом) является МОП-конденсатор, работающий в режиме глубокого обеднения. Его зонная диаграмма для случая, когда сигнальный заряд равен нулю Я„в = 0), приведена на рис. 37, б, Здесь ф„— поверхностный потенциал, (У0 — К„я) — эффективное напряжение на затворе (напряжение, приложенное к металлическому электроду, будем называть затворным напряжением $'~), $'„я — напряжение плоских зон [561. Применительно к работе ПЗС минимум электронной потенциальной энергии на границе раздела с окислом называют потенциальной ямой. При |~„а —— 0 эта яма пустая.
Когда у границы раздела хранится сигнальный зарядовый пакет, поверхностный потенциал уменьшается, что соответствует заполнению потенциальной ямы (рис. 37, б). Глубину пустой потенциальной ямы легко определить с помощью уравнений (23), (24) и (27а), устанавливающих связь поверхностного потенциала ф„и напряжения на затворе: А Гб — ~рв=)';+1. = С, +Ф., (52) ф, = ад%'/2е,. (53) Отметим, что в рассматриваемой нестационарной ситуации глубина обеднения Ф' может существенно превышать Ю' — макси- 430 Глава 7 (петми /7усл7ая яма Яиелекл7еил Ее Желта ,(е Яма, часгпична Ъе - еалолнениая си гнала кым ааеяс ам ~ге( Лиелеелгрил 6 Фелтал Рис.
3?. Зонные диаграммы МОП-структуры с поверхностным каналом 1561, а — изгиб зон в состоянии глубокого обеднения (пустая ямаи б — изгиб зон на границе раздела $! — 3!О,; в — частично заполненная яма. мальную глубину стационарного обедненного слоя. Исключив из уравнений (52) и (53) И7, получим 1са ~гв= Фз+ с у 2е ЧИА!рз' ! г А = Яз(а + Ф1А1~')/аз, ® ( — Яз(а + Ч1!~А зк )/Е(з (55а) (55б) Это нелинейное соотношение между поверхностным потенциалом и напряжением на затворе иллюстрируется рис.
38. Отметим, что при одном и том же напряжении на затворе, варьируя Ы или У», можно получать различные значения поверхностного потенциала. Так, например, при (Ро — Урн) = 10 В и Л!'.» = 10" см ' поверхностный потенциал уменьшается с 8,5 до 4,2 В, когда толщина окисла возрастает от 0,1 до 0,5 мкм. Этот факт используется при конструировании так называемых двухфазных ПЗС и для предотвращения бокового растекания зарядовых пакетов.
При наличии сигнального зарядового пакета в потенциальной яме (Я„д=,з~ О) поверхностное электрическое поле в полупроводнике и йоле в окисле описываются соответственно выражениями МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью 1б 1б „% н ° 12 ~~ 1б Ы~ в б Ъ ф б ~ 1 б б 1б1~91б1б б 2 б б 81б12й1б1б 1;в 1о ага а Рис. 88. Зависимость поверхностного потенциала от напряжения на затворе вля пленки ЗЮ» толщиной 0,1 мкм (а) н нля концентрации акцепторов (б) 1810 с -з (11) где Я„и — поверхностная плотность хранящегося сигнального заряда. В этом случае для напряжения на затворе )/а вместо выражения (52) будем иметь 1а Угв= С + С +Ф ~$1И О А (56) Снова воспользовавшись выражением (53), найдем -)/2в оу 1р (57) Решив это уравнение относительно $„ получим окончательно ЧЪ = ~'а + ~'о — (2Ъ'а~о+ Ъ'о) 1 1 (58) где 11а =- Уа — ~~в — С" (58а) ко = Ф~Ае5Ю~ (58б) Зависимость поверхностного потенциала от величины хранящегося заряда приведена на рис.
39 для трех значений напряжения на затворе [571. Отметим, что прн данных напряжениях на затворе величина ~, практически линейно уменьшается с ростом величины сигнального заряда Д„к. Часто эту зависимость интерпретируют с помощью качественных «гидравлических» представлений о потенциальной яме емкостью С», «заливаемой» сигнальным зарядом. С увеличением Ям« верхний уровень этой <окидкости», поверхностный потенциал, практически линейно приближается к нулю — верхнему краю ямы (рис. 37, б). Найдем теперь зависимость объемной концентрации электронов на границе раздела п, = —. про ехр (дф,ЙТ) (электрон.см ') 432 Глава 7 Рис. 39.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
