4.4.2. Эффект поля в примесных полупроводниках

В полупроводниках п- ир-типа эффект поля зависит не только от полярности приложенного напряжения, но и от типа проводимости полупроводника. При этом наряду с обедненным и обогащенным носителями заряда слоями в приповерхностной области полупроводника может сформироватьсяинверсионный слой, то есть слой с типом проводимости, противоположным типу проводимости в объеме полупроводника.

Рассмотрим условия формирования и зонные диаграммы приповерхностных слоев различного типа в примесных полупроводниках.

Обогащенный (низкоомный) слойвозникает, когда знак поверхностного потенциала противоположен знаку заряда основных носителей. Под влиянием поверхностного потенциала происходит притяжение основных носителей к поверхности и обогащение ими приповерхностной области полупроводника. Зонные диаграммы приповерхностных областей полупроводниковn- иp-типа с низкоомными слоями представлены на рис. 4.21а,б.

Как следует из рис. 4.21, вызванный потенциалом Uизгиб зон приводит к уменьшению расстояния от уровня Ферми_Fnдо дна зоны проводимости_cв полупроводникеn-типа и от уровня Ферми_Fp до потолка валентной зоны_v в полупроводникеp-типа. Результатом этого является полная ионизация примесных уровней, сопровождающаяся обогащением приповерхностной области полупроводника основными носителями.

Распределение потенциала (x)в области объемного заряда, созданного основными носителями по глубине полупроводникаx, выражается соотношением вида (4.34), в котором дебаевская длина экранирования рассчитывается по формуле

, (4.36)

где N- концентрация легирующей примеси, м^-3.

Оценка по формуле (4.36) показывает, что для кремния при N=10²² м^-3 значение L_D0,04 мкм. Следовательно, в примесном полупроводнике дебаевская длина значительно ниже, чем в собственном полупроводнике (см. выражение (4.33)).

Обедненный (высокоомный) слойвблизи поверхности полупроводника возникает, когда знак поверхностного потенциала совпадает со знаком заряда основных носителей. Под влиянием поверхностного потенциала происходит отталкивание основных носителей от поверхности и обеднение ими приповерхностной области полупроводника. Зонные диаграммы приповерхностных областей полупроводниковn- иp-типа с высокоомными слоями представлены на рис. 4.22а,б.

Как следует из рис. 4.22, изгиб зон, вызванный потенциалом U, приводит к увеличению расстояния от уровня Ферми_Fnдо дна зоны проводимости_cв полупроводникеn-типа и от уровня Ферми_Fp до потолка валентной зоны_vв полупроводникеp-типа. Результатом этого является уменьшение степени ионизации примесных уровней, сопровождающееся обеднением приповерхностной области полупроводника основными носителями - их концентрация оказывается меньше концентрации примеси, определяющей тип проводимости полупроводника.

Распределение потенциала (x)в области объемного заряда по глубине полупроводникаxвыражается соотношением вида (4.36), в котором дебаевская длина экранирования рассчитывается по формуле

, (4.37)

где |_s|- абсолютная величина поверхностного потенциала, В;N- концентрация легирующей примеси, м^-3.

Поскольку _s>_т, то величинаL_Do для высокоомного слоя превышает величинуL_D для случая обогащенного слоя, достигая значения около 1 мкм.

Инверсионный слойвблизи поверхности полупроводника возникает при больших абсолютных значениях поверхностного потенциала _sзнак которого совпадает со знаком заряда основных носителей. В этом случае, как показано на рис. 4.23а,б, уровень электростатического потенциала_E пересекает линию уровня Ферми в примесном полупроводнике. В результате уровень Ферми оказывается в той половине запрещенной зоны, которая соответствует преобладанию неосновных носителей заряда.

Расстояние от уровня Ферми _Fn до потолка валентной зоны_v в полупроводникеn-типа оказывается меньше расстояния до дна зоны проводимости (рис. 4.23,а). Вследствие этого концентрация неосновных носителей заряда (дырок) у поверхности полупроводника на глубинеl_n становится выше концентрации основных носителей (электронов) и тип проводимости этой области меняется.

Аналогично, в полупроводнике p-типа уменьшается расстояние от уровня Ферми_Fp до дна зоны проводимости_c (рис. 4.23,б). Поэтому концентрация электронов у поверхности полупроводника на глубинеl_p становится выше концентрации основных носителей и тип проводимости этой области также меняется.

Значение поверхностного потенциала _sF, при котором уровень электростатического потенциала_E пересекает линию уровня Ферми_F в примесном полупроводнике, рассчитывается из очевидного условия

_sF|_Е-_F|0,5_g, В, (4.38)

где _g- ширина запрещенной зоны полупроводника, В.

При дальнейшем увеличении абсолютной величины поверхностного потенциала приповерхностный изгиб границ зон может достигнуть такой величины, что уровень электростатического потенциала _Е будет пересекать границу одной из зон или даже переместится в разрешенную зону. В этом случае в результате вырождения тонкая приповерхностная область полупроводника приобретает высокую (полуметаллическую) проводимость, тип которой определяется неосновными носителями заряда. Полагая, что положение уровня Ферми в примесном полупроводнике практически совпадает с положением края одной из зон, значение поверхностного потенциала_sm, при котором в приповерхностной области полупроводника возникает полуметаллическая проводимость, можно рассчитать по формуле

_sm=2|_Е-_F|_g. (4.39)

Для кремния значение _sm1 В. Эффект образования инверсионного слоя в приповерхностной области полупроводника получил чрезвычайно важное практическое применение при создании МДП и МОП-транзисторов с изолированным затвором (см. ниже).