5.4. Гистерезисные явления в мдп-структурах

Очень часто при исследовании CV-характеристик МДП-структур наблюдается гистерезис характеристик – их несовпадение при росте и уменьшении напряжения. Вид CV-характеристик с различными типами гистерезиса показан на рис. 5.10. Характеристики с нормальным гистерезисом соответствуют случаю, когда положительное напряжение смещает всю характеристику в область положительных напряжений. Этот вид гистерезиса соответствует обмену носителями между полупроводником и уровнями захвата в диэлектрике или на границе раздела полупроводник/диэлектрик (рис. 5.10 а). Характеристики с аномальным гистерезисом, когда положительное напряжение смещает всю характеристику в область отрицательных напряжений, соответствуют заряжению ловушек в диэлектрике при обмене носителями с металлическим электродом или при миграционной поляризации ионов в диэлектрике (рис. 5.10 б).

Рис. 5.10. Гистерезис CV-характеристик МДП-структур. а) – нормальный гистерезис, б) – аномальный гистерезис.

Принципиальная схема измерительной установки для получения квазистационарных CV-характеристик показана на рис. 5.11. Постоянное управляющее напряжение подается на МДП-структуру одновременно с тестирующим емкость переменным сигналом . Цепи переменного и постоянного тока разделяются при помощи LC цепочки.

Рис. 5.11. Схема измерительной установки для исследования CV-характеристик.

Эту схему можно дополнить схемой измерения на постоянном токе (для определения Y) с возможным определением подвижности в эффекте поля в поверхностном канале. Последний параметр также важен при изготовлении основных элементов схем цифровой электроники – полевых МДП-транзисторов. Заводской контроль качества таких транзисторов в идеале должен обнаруживать нулевые значения напряжения плоских зон, полное отсутствие гистерезиса СV-характеристик, практическое отсутствие ПС и максимальную подвижность в эффекте поля в канале.

6. Поверхностная рекомбинация

Поверхностной рекомбинацией называют рекомбинацию через поверхностные состояния. Количественно она характеризуется введенной Шокли скоростью поверхностной рекомбинации (СПР). В стационарном состоянии, следуя Шокли, можно предположить, что

, (6.1)

где – темп поверхностной рекомбинации (число актов рекомбинации на единице поверхности в единицу времени); – неравновесные добавки к поверхностной концентрации электронов и дырок; – СПР электронов и дырок. Если как обычно предполагают

, (6.2)

, (6.3)

то можно говорить об одной СПР электронов и дырок. Потоки электронов и дырок к поверхности создают токи

, (6.4)

. (6.5)

Результирующий ток через поверхность

. (6.6)

6.1. Теория скорости поверхностной рекомбинации Стивенсона и Кейса

Пусть на поверхности есть уровень поверхностной рекомбинации с концентрацией , энергией или и сечениями захвата электронов и дырок , и коэффициентами захвата и , где – тепловая скорость. На рис. 6.1 показаны рекомбинационные и генерационные переходы с участием дискретного поверхностного уровня на энергетической зонной диаграмме поверхности полупроводника.

Стрелками на рис. 6.1 отражены

темп захвата электрона

, (6.7)

темп выброса электрона

, (6.8)

темп захват дырки

, (6.9)

темп выброса дырки

. (6.10)

Рис. 6.1. Энергетическая диаграмма поверхности с параметрами дискретных поверхностных состояний.

В выражении (6.8) величина равна поверхностной концентрации электронов в зоне проводимости, когда положение уровня Ферми на поверхности совпадает с положением уровня центра захвата,

. (6.11)

аналогично величина в выражении (6.10) равна поверхностной концентрации дырок в валентной зоне, когда положение уровня Ферми на поверхности совпадает с положением уровня центра захвата.

Из принципа детального равновесия следует, что

, , (6.12)

где , , и

. (6.13)

Функцию заполнение найдется из выражения

. (6.14)

Подставляя в , получим

, (6.15)

где .

Если сделать предположение, что и о постоянстве квазиуровня Ферми в ОПЗ, можно показать что СПР в случае рекомбинации через дискретный уровень определяется выражением

, (6.16)

. (6.17)