Мдп–структура

1. Идеальная мдп-структура

Если на окисел, покрывающий поверхность кристалла, нанести металлический электрод (затвор), то, изменяя его потенциал относительно объема кристалла, возможно изменять величину заряда в приповерхностной области полупроводника и, соответственно, её проводимость. Этот эффект положен в основу целого ряда полупроводниковых устройств, среди которых самое известное – МДП-транзистор.

Рассмотрим идеальный МДП-конденсатор, энергетическая диаграмма которого представлена на рис. 1.

Рис. 1

Состояние носителей в разнородных материалах (металл – диэлектрик - полупроводник) можно сравнить, используя понятие нулевого потенциала, то есть принимая потенциал какой-либо точки (например, потенциал вакуума) за нуль (рис. 1). Тогда для перевода электрона со дна зоны проводимости полупроводника в вакуум без сообщения ему скорости потребуется энергия q·χ, равная:

.

(1)

Энергия q·χ есть энергия электронного сродства, χ.- сродство к электрону полупроводника. Если энергию электрона отсчитывать от энергии Ферми, а не от , используют понятиетермоэлектронной работы выхода или просто работы выхода Φ:

.

(2)

Таким образом, работа выхода равна разности между энергией покоящегося электрона в вакууме у поверхности образца полупроводника и уровнем Ферми в данном полупроводнике.

На границе металл-диэлектрик, диэлектрик-полупроводник, а в отсутствии диэлектрика на границе металл-полупроводник возникает контактная разность потенциалов:

.

(3)

Для случая «идеальной» МДП-структуры делается ряд допущений:

1.Разность работ выхода между металлом затвора и диэлектриком, диэлектриком и полупроводником, равна нулю или для потенциалов:

для n-типа: , для p-типа: .

(4)

Здесь – потенциал уровня Ферми,- разность между уровнем ФермиFи положением уровня Ферми в собственном полупроводникеE_i.

Условие означает, что в отсутствие внешнего напряжения энергетические зоны полупроводника не изогнуты (состояние плоских зон).

2. В диэлектрике и на границах раздела металл-диэлектрик и полупроводник-диэлектрик нет никаких зарядов, т.е. диэлектрик не имеет дефектов. При любых смещениях в структуре могут существовать только заряд в ее полупроводниковой части и равный ему заряд противоположного знака на металлическом электроде, отделенном от полупроводника слоем диэлектрика.

3. Диэлектрик является идеальным изолятором.

Если к МДП-конденсатору приложить электрическое напряжение, то его обкладки зарядятся. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения поверхность полупроводника, будет обогащаться или обедняться основными носителями, или произойдет инверсия проводимости, в том случае, когда концентрация неосновных носителей заряда станет больше чем основных. Энергетические диаграммы, соответствующие различным потенциалам затвора приведены на рис. 2 (потенциал в глубине полупроводника принят равным 0).

Для примера рассмотрим полупроводник p-типа.

При отрицательном потенциале на затворе (V_g<0) к поверхности подтягиваются дырки, и их поверхностная концентрация относительно равновесной возрастает. Это –режим обогащенияприповерхностной области полупроводника основными носителями заряда.

При подаче небольших положительных потенциалов на затвор электрическое поле отталкивает дырки от поверхности, и их концентрация вблизи поверхности уменьшается (режим обеднения), но их концентрация все еще превосходит концентрацию электронов, подтянутых электрическим полем к поверхности, так что тип проводимости приповерхностной области остается дырочным, т.е. приповерхностная область обедняется основными носителями заряда относительно объема.

При дальнейшем увеличении потенциала затвора концентрация электронов в приповерхностной области становится больше концентрации дырок в объеме, т.е. происходит изменение (инверсия) типа проводимости.

Рис. 2. Энергетические диаграммы при различных смещениях

Аналогичные явления будут иметь место для полупроводника n-типа (при этом искривление зон на диаграммах будет направлено в другую сторону).

В общем случае концентрации носителей изменяются по законам:

	(5)
	(6)

Здесь – потенциал уровня Ферми,– потенциал собственного полупроводника (его часто принимают за нулевой),φ_T=kT/q– тепловой потенциал равный 0,026 В при комнатной температуре. Дляp-типа, дляn-типа,n_i–собственная концентрация носителей.

Рис. 3.

Изменение поверхностного заряда индуцирует изменение заряда в объеме полупроводника, что сопровождается изменением изгиба зон вблизи поверхности.

Если величина энергии q∙φ(x) измеряется относительно середины запрещенной зоны (рис. 3), то зная величину потенциалаφ(x), возможно рассчитать распределение носителей заряда в приповерхностной области:

	(7)
.

Для характеристики этого изгиба будем использовать понятие поверхностного потенциалаφ_s.

Проведем оценку толщины обедненного слоя для структуры, представленной на рис. 3 в случае обеднения. Пусть полупроводник имеет только акцепторную примесь. Тогда уравнение Пуассона примет вид:

(8)

Интегрируя с граничными условиями φ=0, приx=w, получим:., отсюда, таким образом, толщина слоя ОПЗ тем больше, чем больше поверхностный потенциал и чем слабее легирован полупроводник.

Введем дебаевскую длину дыроккак расстояние, на котором изменение потенциальной энергии носителя заряда равно его тепловой энергии.

МДП-транзистор

МДП-транзисторназывают такжетранзистором с изолированным затвором, так как в отличие от ПТУП затвор от полупроводника изолирован окислом (рис. 4).

с индуцированным каналом со встроенным каналом каналом к p-канальный n-канальный p-канальный n-канальный

Рис. 4 Условные обозначения МДП-транзисторов

Обычно в качестве диэлектрика используют оксид (оксид кремния SiO₂), поэтому говорят о МОП-транзисторах (со структурой металл-оксид-полупроводник).

МДП-транзистор создан на основе МДП-структуры, в которой использован эффект управления поверхностными свойствами полупроводника за счет изменения потенциала затвора.

Для обеспечения прохождения управляемого тока под затвором создают две дополнительные электродные области: истокисток. Полупроводниковые области истока и стока создают из сильно легированного, обладающего хорошей проводимостью, материала, отличающегося по типу от материала базового кристалла (рис.5).

Рис. 5. МДП-транзистор с встроенным каналом

Проводящий канал расположен между стоком и истоком. Расстояние между областями стока и истока определяет длину канала L.

За сток принимается тот электрод, к которому дрейфуют основные носители канала, т.е. в n-канальном транзисторе сток должен быть под положительным потенциалом относительно истока, а вp-канальном – под отрицательным.

Затвор в МДП-транзисторе изолирован от полупроводниковой подложки тонким слоем диэлектрика.

МДП-транзисторы применяют двух типов: со встроеннымииндуцированным каналами. Транзистор со встроенным каналом, имеющим ту же проводимость, что и сток-истоковые области, при нулевом напряжении на затворе открыт.Уменьшениетока на выходе МДП-транзистора со встроенным каналом обеспечивается подачей на управляющий электрод – затвор – напряженияU_зс полярностью, соответствующей знаку носителей заряда в канале: дляp-каналаU_з>0,дляn-канала U_з<0.Напряжение затвораU_зуказанной полярности вызывает обеднение канала носителями заряда, сопротивление канала увеличивается, и выходной ток уменьшается. Если у транзистора со встроенным каналом изменить полярность напряжения на затворе, то произойдет обогащение канала дырками и увеличение выходного тока. Таким образом, транзистор со встроенным каналом может работать при напряжениях на затворе обеих полярностей как врежиме обеднения каналаносителями заряда, так и врежиме обогащения. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом – этонормально открытый прибор.

МДП-транзистор с индуцированным каналом (рис. 4) работают только в режиме обогащения. В отсутствие напряжения управления на затворе между истоком и стоком оказываются два встречно включенных диода, и ток в этой цепи будет равен обратному току одного из диодов, т.е. весьма мал и транзистор будет находиться в запертом состоянии. Таким образом, МДП-транзистор – это нормально закрытый прибор.

На рис. 6 показана структура, которая используется в МДП-транзисторах с индуцированным n-каналом.

Для того чтобы транзистор открылся, на затвор необходимо подать такой потенциал относительно потенциала подзатворной области, чтобы на поверхности произошла инверсия проводимости. При этом под затвором индуцируется область n-типа, образующая канал, соединяющийn⁺-области истока и стока, и в стоковой цепи начинает протекать ток.

Принято считать, что транзистор открывается при напряжении затвора, равном пороговому – U_п, при котором на поверхности начинает выполняться условие сильной инверсии. Стоковый ток тем выше, чем больше индуцированный в канале заряд и, соответственно, больше проводимость инверсионного слоя.

Рис 6. МДП-транзистор с индуцированным каналом

Пусть U_зи>U_п, т.е. имеется проводящий канал, и на сток относительно истока подано положительное напряжениеU_си(рис. 6). Тогда распределение потенциала в канале по оси х становится неравномерным: в точке х=0 (вблизи истока) потенциал определяется только полем затвора и равенU_зи- U_п, а в точке х=L– совместным действием полей затвора и стока и равенU_зи- U_п- U_си. При увеличении напряженияU_ситок стокаI_cтакже будет увеличиваться по линейному закону, так как увеличивается напряженность стока вдоль канала (по оси х). Ток стока вдоль канала – дрейфовый ток электронов.

Одновременно с ростом напряжения U_сии тока стокаI_cпроисходит расширение стоковогоpn-перехода: на переход подается обратное смещение, и он расширяется в сторону высокоомной подложки. В точкех=Lобратноенапряжение на стоковомpn-переходе появляется только при достижении некоторого граничного условияU_{си гр}= U_зи- U_п, то есть при компенсации в этой точке действия поля затвора. При этом дифференциальное сопротивление выходной цепи сток-исток резко увеличивается, так как оно определяется сопротивлениями канала и обратносмещенного стоковогоpn-перехода. Рост тока стокаI_cприU_си >U_{си гр}практически прекращается, а стоковыйpn-переход расширяется по оси х в сторону истока, и длина канала уменьшается на ΔL.