Рис. 5.10. Конструкции МОП - транзисторов со встроенным каналом (а) и с индуцированным каналом (б)

Оба типа транзистора называют МОП-транзисторами, так как они образованы системой металл-окисел-полупроводник.

На п-подложке формируются МОП-транзисторы c р-каналом, т.е. каналы с дырочной проводимостью. Канал наводится под влиянием отрицательного напряжения на затворе.

5.5. Энергетические диаграммы МОП-структуры

Свойства МОП-транзисторов можно выявить на основе энергетических диаграмм. На рис. 5.11 приведены энергетические диаграммы для напряжения на затворе uз = 0 и при пассивной изолирующей пленке (заряд в пленке SiO2 отсутствует).

0

х0 хd

Рис. 5.11. Энергетические диаграммы и распределение заряда в МОП-структуре

Диаграммы аналогичны рассмотренным ранее диаграммам металлполупроводник (разд. 4.1) при отсутствии непосредственного контакта. Отличие работ выхода электронов металл-окисел εМО и полупроводникокисел εSО вызывает наведенный поверхностный заряд, который включает и ионизированные поверхностные состояния и примеси. Наведенный заряд понижает энергетический уровень поверхности на еθSO . При uз = 0 уровень Ферми для системы общий и можно написать равенство

где uOO – разность потенциалов на поверхности пленки двуокиси кремния. Если обозначить

то разность потенциалов на поверхности изолирующей пленки равна

Положение уровня Ферми εF относительно дна зоны проводимости εП в (5.24) зависит от концентрации примесей в полупроводнике и температуры

где NA – концентрация акцепторов в р-подложке,

ni – концентрация пар носителей тока в чистом полупроводнике

[см.(1.4)].

Данные о величине εMS, вычисленные по формулам (5.24) и (5.26) с учетом, что для МОП структуры на кремнии εSO = 3,25 эВ, εМО = 3,2 эВ (Al), εМО = 4,1 эВ (Аu), приведены в таблице 5.1.

Как видим выбором металла затвора и степени легирования полупроводника можно изменять величину εMS в больших пределах.

На рис. 5.11 приведена диаграмма и для плотности распределения заряда ρ(х). Носителями заряда в полупроводнике являются неподвижно закрепленные в кристаллической решетке ионы и проводящего канала не

искривление зон у пленки окисла исчезнет (рис. 5.12 а).

которого являются дырки. Однако повышенная концентрация дырок лишь изменяет контактную разность потенциалов на запертых р-п переходах истока и стока (рис. 5.10 б) и проводящий канал не образуется.

Если приложить к затвору положительное напряжение, то по мере увеличения этого напряжения сначала расширится область пространственного заряда отрицательных акцепторных ионов, а затем у поверхности образуется тонкий слой, содержащий электроны. Это снимает контактный барьер у истока и стока вблизи поверхности, т.е. образуется проводящий канал. Энергетические диаграммы, соответствующие этому

экранирует толщу полупроводника и при дальнейшем увеличение смещения uз увеличивается концентрация электронов у поверхности и остается

положительный заряд, носителями которого являются замороженные ионы металла затвора и подложки (Si +), проникшие в пленку окисла при ее формировании. Влияние заряда пленки окисла отображено на рис. 5.13 пунктиром. Видно, что наличие заряда в пленке увеличивает наведенный заряд в полупроводнике.