§ 10.1. Вплив властивостей поверхні на параметри напівпровідникових приладів

Для виготовлення напівпровідникових діодів і транзисторів зі сплавними й дифузійними переходами використовують пластини напівпровідника після механічного полірування й хімічного травлення. Для планарних приладів і МДН-транзисторів поверхні таких пластин спеціально оксидують. Властивості оксидованої поверхні залежать від способу її обробки й технології оксидування. Необхідно враховувати ступінь однорідності поверхні і якість оксиду (однорідність по товщині, наявність дефектів, пористість).

Основними параметрами реальної поверхні є поверхневий потенціал, концентрація поверхневих станів і швидкість поверхневої рекомбінації. Властивості поверхні можуть змінюватися в зовнішньому середовищі, а саме вони - визначають такі параметри напівпровідникових приладів, як зворотній струм через p-n-перехід, струм поверхневих витоків, напруга пробою, опір p-n-переходу, шуми й коефіцієнт підсилення транзисторів. Розглянемо докладніше ці параметри.

Виміру величин зворотних струмів германієвих і кремнієвих діодів у стаціонарному й імпульсному режимах показали; що ці струми не є постійними, а змінюються при кімнатній і більше низьких температурах за законом

де А и п – деякі постійні, причому п близька до 1 при кімнатній температурі й досягає значень 2–4 зі зниженням температури.

При температурах вище кімнатної зворотній струм міняється за законом

де В, С – постійні для даного зразка.

У загальному випадку зворотній струм можна представити у вигляді суми двох складових:

де І_v - об'ємний струм, тобто дрейфовий струм неосновних носіїв заряду; I_s – поверхневий струм, обумовлений неосновними носіями заряду, що генерують на поверхні напівпровідника.

Поверхнева складова зворотнього струму тим більше, чим менше товщина напівпровідникової пластини. Експериментальні дослідження показали, що зворотній струм на 50-90% обумовлений поверхневої складової, що пропорційна швидкості поверхневої рекомбінації:

де s – швидкість поверхневої рекомбінації; d – товщина зразка.

Поверхнева складова залежить від напруги зворотнього зсуву внаслідок наявності крайового поля, що діє на поверхню напівпровідника поблизу об'ємного заряду. Горизонтальна складова крайового поля дуже впливає на дифузію неосновних носіїв на поверхні напівпровідника поблизу області об'ємного заряду p-n-переходу. Для несиметричного переходу (за умови, що р_n>>р_р) зворотній струм в основному задається дірками, що генерують на поверхні напівпровідника.

Густина цього струму

де Е_г– напруженість поля горизонтальній складовій.

Вертикальна складова крайового поля викликає термічну іонізацію дірок на поверхні напівпровідника:

де Е_в – вертикальна складова;

де U – прикладена напруга, x – відстань від середини області об'ємного заряду до розглянутої точки, w – ширина р-n-перехода.

М ожна записати

де

Остаточно маємо

При низьких температурах швидкість поверхневої рекомбінації велика й впливом Е_г можна знехтувати. Зі збільшенням температури струм зростає за рахунок об'ємної й поверхневої складових. Об'ємна складова росте внаслідок збільшення концентрації .неосновних носіїв заряду. Поверхнева складова з ростом температури росте повільніше, ніж об'ємна, тому що при значеннях температури вище кімнатної швидкість рекомбінації знижується. Подальше підвищення температури викликає експонентний ріст струму:

При вивченні зворотної вітки вольт-амперної характеристики в діодів була виявлена залежність зворотнього струму від тривалості імпульсу напруги, що прикладається. Спочатку за 10 – 30 мс струм різко падає, потім поступово наростає. Різкий спад струму відбувається за рахунок зменшення об'ємної складової струму й вертикальної складової крайового поля, що спочатку створює надлишкову концентрацію дірок за рахунок їхнього підтягування з об'єму за час 10^-8 с. Потім ця надлишкова концентрація дірок починає зменшуватися: частина їх іде в р-область напівпровідника, частина рекомбінує.

Подальше зростання зворотнього струму пов'язане з екрануванням поверхні напівпровідника дірками, що рухаються в шар оксиду під дією вертикального складового крайового поля. Це приводить до росту поверхневого потенціалу, і збільшення швидкості поверхневої рекомбінації й, отже, до росту зворотнього струму.