Эффекты в структурах МДП

В трехслойной структуре состоящей: металла М, диэлектрика Д и полупроводника П, то на поверхности полупроводника, за счет воздействия электрического поля, произойдет разделение зарядов. Электроны будут вытесняться эл. полем, вместо них образуются дырки и, таким образом, возникает обогащенный дырками приповерхностный р-слой с повышенной проводимостью (рисунок 5.25 а).

Рисунок 5.25 – Проводимость в поверхностном слое полупроводника

 

При изменении полярности рисунок 5.25 б, получится поверхностный слой с преобладанием n-проводимости. Слой с повышенной концентрацией (по сравнению с объемом) основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной их концентрацией – обедненным.

Понятие «горячие» электроны. В сильном электрическом поле электроны могут приобретать энергию, значительно превышающую среднюю энергию теплового движения. Такие электроны называют «горячими». Они могут преодолевать потенциальный барьер на границе кремний-окисел и в окисле захватываться ловушками, изменяя заряд окисла.

Рисунок 5.26 – Структура

 

SiO₂ не имеет подвижных носителей, а поэтому перенос электронов из Al не возможен. Границу раздела металл-окисел можно рассматривать как барьер высотой 3,15 эВ, который препятствует переходу электронов из Al в SiO₂.

Аналогично для электронов кремния (подложка) на границе окисел-кремний также образуется барьер » 4,22 эВ.

Таким образом, движение электронов через SiO₂ невозможно. Как же тогда происходит перераспределение зарядов? Чтобы осуществить переход электронов из Al в Si, необходима дополнительная цепь, обладающая большой проводимостью, чем окисел? Цепь возникает при подаче внешнего напряжения. В целом, указанная структура, является конденсатором в равновесном состоянии с зарядами обкладок Q и внутренней разностью потенциалов. Внешнее напряжение между Al и Si выводит структуру из состояния равновесия и изменяет величину заряда на обкладках указанного конденсатора. Так при подаче положительного потенциала на металл происходит перераспределение заряда, как в окисле, так и в полупроводники. В приповерхностном слое происходит изменение тока электропроводимости (инверсия). Состояние ПП называется состоянием инверсии, а приповерхностная область - инверсной областью. Состояние может быть как со слабой инверсией, так и с сильной. Создаются условия для протекания тока.

 

5.5.3 В идеальных МДП-структурах не учитывалось влияние зарядов в окисле и на границе окисел – кремний

Для оценки этого заряда, необходимо оценить порядок концентрации электронов в идеализированной МДП-структуре.

При напряжении, немного превышающем пороговое, в этот момент структура входит в инверсный режим, поверхностная плотность электронов будет того же порядка, что и поверхностная плотность примесных атомов (акцепторов):

Na =

Аналогично удельная плотность кремния Nк = . Поэтому удельная плотность атомов примеси только в раз меньше удельной плотности атом кремния и будет оказывать влияние на процессы в МДП.

Классификация зарядов в окисле:

1)Заряд, захваченный поверхностными ловушками кремния и представляющий собой заряд электронных состояний, которые локализованы на границе раздела Si – SiO₂ и энергетические уровни которых находятся в «глубине» запрещенной зоны ПП. Эти состояния обусловлены избыточными атомами Si, избыточным кислородом или примесными атомами. Основная причина возникновения этих состояний в запрещенной зоне ПП – сама граница (слоя) является нарушением пространственной периодичности. Поверхностное состояние считается донорным, если отдает электрон, оно становится нейтральным или положительно заряженным.

Акцепторным называют поверхностное состояние, которое становится нейтральным или отрицательно заряженным при захватывании электрона.

2) Фиксированный заряд окисла расположенный на границе раздела или в непосредственной близости от нее значение этого заряда остается практически постоянно во всей области электрических полей, характерных для МДП.

3) Заряд, возникающий при облучении или при инжекции «горячих» электронов в диэлектрик.

Соответствующие ловушки более или менее равномерно распределены в слое окисла.

«Горячие» (высоко электрические электроны) могут попадать в структуру в процессе его изготовления.

В составе излучается могут быть также частицы с высокой энергией и фотоны, которые взаимодействуют на структуру в процессе его эксплуатации.

4) Заряд подвижных ионов в окисле, например, ионов натрия или калия, которые могут перемещаться в слое окисла интенсивных термополевых нагрузках в МДП. Ионы натрия и ионы калия легко абсорбируются двуокисью кремния, ионы щелочных металлов достаточно подвижны и могут дрейфовать в окисле даже при небольших приложенных внешних напряжений, при этом с ростом Т их подвижность увеличивается так как ионы металлов несут положительный заряд, то отрицательное U на затворе заставляет эти ионы перемещаться к границе металл – окисел, где, как установлено, они не оказывают влияния на напряжения плоских зон. Однако при подаче положительного U эти ионы могут мигрировать к границе окисел – кремний, где их влияние максимально.

ЛИТЕРАТУРА

 

1 Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. – М.: Высшая школа, 2005

2 Бобриков Л.З. Электроника. – СПб.: Питер, 2004

3 Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – М.: Л.БЗ, 2004

4 Ткаченко Р.А. Техническая электроника – М.: Дизайн ПРО, 2002

5 Бобровский Ю.А. и др. Электронные квантовые приборы и микроэлектроника. – М.: Радио и связь, 1998