2.3.5. Явления на поверхности полупроводников

Физические процессы на поверхности полупроводника оказывают большое влияние на электрические характеристики и параметры полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Рассмотрим зонную диаграмму приповерхностной области полупроводников в равновесных условиях. Рассмотрим, как будет меняться концентрация свободных носителей в приповерхностной области полупроводника, когда вблизи этой поверхности создается электрическое поле. Для примера будем считать, что электрическое поле создается заряженной металлической плоскостью с поверхностной плотностью зарядов σ. Поскольку силовые линии электрического поля должны быть замкнуты, то на поверхности полупроводника возникает равный по величине, но противоположный по знаку электрический заряд. В зависимости от знака заряда на металлической плоскости (положительной или отрицательной) экранирующий это поле заряд в приповерхностной области полупроводника также будет различных знаков. На рис. 2.51 приведены ситуации положительно и отрицательно заряженной плоскости.

Рис. 2.51. Изменение концентрации свободных носителей

в приповерхностной области полупроводника при наличии вблизи поверхности заряженной металлической плоскости

Случай, когда в приповерхностной области возрастает концентрация свободных носителей, носит название обогащение, а когда в приповерхностной области уменьшается концентрация свободных носителей – обеднение.

Изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля получило название эффекта поля.

При наличии внешнего поля приповерхностная область в полупроводнике не будет электронейтральной. Заряд, возникший в этой области, обычно называется пространственным зарядом, а сама область – областью пространственного заряда. Наличие электрического поля E(z) в ОПЗ меняет величину потенциальной энергии электрона. Если поле направлено от поверхности вглубь полупроводника, то электроны в этом случае будут иметь минимальную энергию у поверхности, что соответствует наличию потенциальной ямы для электронов.

Изменение потенциальной энергии электронов

, (2.96)

где U(∞) – потенциальная энергия электронов в квазинейтральном объеме полупроводника.

Поскольку на дне зоны проводимости кинетическая энергия электронов равна нулю ( ), то изменение потенциальной энергии по координате должно точно так же изменить энергетическое положение дна зоны проводимости E_C, а соответственно и вершины валентной зоны E_V. На зонных диаграммах это выражается в изгибе энергетических зон.

Величина разности потенциалов между квазинейтральным объемом и произвольной точкой ОПЗ получила название электростатического потенциала

. (2.97)

Значение электростатического потенциала на поверхности полупроводника называется поверхностным потенциалом и обозначается символом _s.

Знак поверхностного потенциала _s соответствует знаку заряда на металлическом электроде, вызывающего изгиб энергетических зон.

При _s > 0 зоны изогнуты вниз, при _s < 0 зоны изогнуты вверх (рис. 2.52).

Рис. 2.52. Энергетические зоны на поверхности полупроводника n‑типа:

а - в случае обеднения; б - в случае обогащения

Величины n_s и p_s – концентрации электронов и дырок на поверхности – носят названия поверхностных концентраций

Количественной характеристикой эффекта поля, характеризующей глубину проникновения поля в полупроводник, является дебаевская длина экранирования.

(2.98)

Таким образом, по физическому смыслу дебаевская длина экранирования L_D соответствует среднему расстоянию, на которое проникает электрическое поле в полупроводник при малых уровнях возмущения.

Кроме рассмотренных явлений, электропроводность приповерхностного слоя полупроводника может изменяться под действием электрического поля, возникающего за счет напряжения, прикладываемого к металлу и полупроводнику, разделенных диэлектриком. Если предположить, что до включения напряжения поверхностные состояния на границе полупроводника и диэлектрика отсутствуют, то электропроводности приповерхностного слоя и объема полупроводника будут одинаковыми.

При включении напряжения между металлом и полупроводником возникает электрическое поле и на поверхности металла и приповерхностном слое полупроводника, как на пластинах конденсатора, накапливаются заряды. Электропроводность приповерхностного слоя полупроводника меняется. Зависимость электропроводности приповерхностного слоя полупроводника от напряжения принято называть эффектом поля.

3. ФИЗИКА СТРУКТУРЫ

МЕТАЛЛ - ДИЭЛЕКТРИК - ПОЛУПРОВОДНИК

3.1. Идеальная структура

металл – диэлектрик – полупроводник

Структуры металл – диэлектрик – полупроводник, или сокращенно МДП-структуры, широким интересом к изучению их физических свойств обязаны появлению планарной технологии и развитию нового класса полупроводниковых приборов, работающих на основе эффекта поля, таких как приборы с зарядовой связью, полевые транзисторы с изолированным затвором, репрограммируемые элементы памяти с плавающим затвором и т.п. МДП-структуры позволяют анализировать основные процессы, протекающие в такого рода приборах, и являются чрезвычайно удобными объектами исследования. Устройство МДП-структуры следует из ее названия.

МДП-структура представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, называемую подложкой, закрытую с планарной стороны диэлектриком. Металлический электрод, нанесенный на диэлектрик, носит название затвора, а сам диэлектрик называется подзатворным. На обратную непланарную сторону полупроводниковой пластины наносится металлический электрод, называющийся омическим контактом. Довольно часто в качестве диэлектрика в МДП-структурах используют окислы, поэтому вместо МДП употребляется название МОП-структура.

Итак, МДП-структура, приведенная на рис. 3.1, состоит из затвора, подзатворного диэлектрика, полупроводниковой подложки и омического контакта.

Рассмотрим зонную энергетическую диаграмму МДП‑структуры при равновесных условиях. Согласно правилу построения зонных диаграмм необходимо, чтобы в системе при отсутствии приложенного напряжения:

Рис. 3.1. Устройство МДП‑структуры:

1 – затвор, 2 – подзатворный диэлектрик;

3 – полупроводниковая подложка;

4 – омический контакт

а) уровень вакуума был непрерывен;

б) электронное сродство диэлектрика и полупроводника в каждой точке было постоянно;

в) уровень Ферми был одинаков.

На рис. 3.2 приведена построенная таким образом зонная диаграмма для идеальной МДП-структуры. Под идеальной МДП-структурой будем понимать такую систему металл – диэлектрик – полупроводник, когда:

• отсутствуют поверхностные состояния на границе раздела полупроводник – диэлектрик;

• термодинамические работы выхода металла затвора и полупроводника подложки равны между собой;

• отсутствуют заряженные центры в объеме подзатворного диэлектрика;

• сопротивление подзатворного диэлектрика бесконечно велико, так что сквозной ток через него отсутствует при любых напряжениях на затворе.

а б

Рис. 3.2. Зонные диаграммы идеальных МДП-структур при напряжении на затворе V = 0 : а – полупроводник п-типа;

б - полупроводник р-типа

МДП-структуры, близкие к идеальным, получают, используя «хлорную» технологию термического выращивания диокида кремния на кремнии, причем для n-Si в качестве материала затвора используется алюминий, а для p-Si - золото.

МДП-структуры, в которых нарушается одно из вышеперечисленных требований, получили название реальных МДП-структур.

Когда к идеальной МДП-структуре приложено напряжение того или другого знака, на полупроводниковой поверхности могут возникнуть три основные ситуации (рис. 3.3). Рассмотрим их сначала для МДП-структуры с полупроводником р-типа. Если к металлическому электроду структуры приложено отрицательное напряжение (V < 0), край валентной зоны у границы с диэлектриком изгибается вверх и приближается к уровню Ферми (рис. 3.3, а). Поскольку в идеальной МДП-структуре сквозной ток равен нулю, уровень Ферми в полупроводнике остается постоянным. Так как концентрация дырок экспоненциально зависит от разности энергий (Е_F - Е_V), такой изгиб зон приводит к увеличению числа основных носителей (дырок) у поверхности полупроводника. Этот режим называется режимом обогащения (аккумуляции).

Рис. 3.3. Зонные диаграммы идеальных МДП-структур при напряжении на затворе V  0: а – режим аккумуляции;

б – режим обеднения; в – режим инверсии

Если к МДП-структуре приложено не слишком большое положительное напряжение (V > 0), зоны изгибаются в обратном направлении и приповерхностная область полупроводника обедняется основными носителями (рис. 3.3, б). Этот режим называют режимом обеднение или истощения поверхности. При больших положительных напряжениях зоны изгибаются вниз настолько сильно, что вблизи поверхности происходит пересечение уровня Ферми Е_F с собственным уровнем Е_i. В этом случае (рис. 3.3, в) концентрация неосновных носителей (электронов) у поверхности превосходит концентрацию основных носителей (дырок). Эта ситуация называется режимом инверсии. Аналогичное рассмотрение можно провести и для МДП-структуры с полупроводником п-типа. Указанные режимы осуществляются при напряжении противоположной полярности.