8

Лабораторная работа № 9

Изучение свойств мдп-структур

Цель работы: Ознакомиться с методом определения основных параметров поверхности полупроводника на основе исследования вольтфарадных характеристик.

Краткие теоретические сведения

Под идеальной понимается МДП-структура, в которой изолирую­щая оксидная пленка МДП-диода не содержит в объеме электрических зарядов, нет зарядов и на границе оксида с полупроводником и с вакуу­мом, работы выхода электронов из металла и полупроводника одинаковы. Характеристики такой МДП-структуры будем называть идеальны­ми и в дальнейшем реальные характеристики с ними сравнивать по /1/.

Структура металл-диэлектрик-полупроводник схематически изо­бражена на рис. 9.1.

Рис. 9.1.Структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП): 1 - металл; 2 - диэлектрик; 3 - полупроводник; 4 - омический контакт

Энергетическая зонная диаграмма идеальной структуры имеет вид, представленный на рис. 9.2. Здесь показано, что уровни дна зоны проводимости и потолка валентной зоны идут на равном расстоянии от уровня Ферми вплоть до самой поверхности раздела полупроводник-изолятор, объемный заряд в полупроводнике отсутствует. Такую ситу­ацию называют случаем плоских зон.

Приложение напряжения к идеальной МДП-структуре приводит к накоплению разноименных зарядов на металлическом электроде и по другую сторону диэлектрика (в полупроводнике) аналогично тому, как это имеет место в обычном конденсаторе.

В реальной структуре, в отличие от идеальной, помимо различия работ выхода из металла и полупроводника, на границе раздела изоля­тор-полупроводник имеются поверхностные состояния, которые могут получать положительный или отрицательный заряд из полупроводни­ка, постоянные (фиксированные) заряды, на которые не влияют прило­женные извне поля, подвижные ионы, способные перемещаться в изо­ляторе, и другие источники отличий реальной структуры от идеальной.

Рис. 9.2. Зонная диаграмма "идеальной" МДП-структуры:

Ф_М – работа выхода электрона из металла; χ_i – сродство к электрону для диэлектрика;Ф_В – потенциальный барьер между металлом и диэлектриком; χ – сродство к электрону для полупроводника; ψ_В – разность потенциалов между уровнем Ферми E_F и уровнем Ферми собственного полупроводника E_i; d – толщина диэлектрика.

Рассмотрим, как будет изменяться емкость МДП-структуры в зави­симости от приложенного смещения сначала для идеальной структуры, а затем в реальных случаях.

Емкость МДП-структуры С можно рассматривать как емкость двух последовательно соединенных конденсаторов:

1/C=1/C₁ + 1/С₂ (9.1)

В первом конденсаторе диэлектриком служит слой оксида, емкость этого конденсатора

(9.2)

Здесь ε₀ - электрическая постоянная;

Ε₁- диэлектрическая проницаемость двуокиси кремния;

S - Площадь металлического контакта.

Во втором конденсаторе в качестве диэлектрика выступает область пространственного заряда. Емкость этого конденсатора С₂ сложно за­висит от напряжения, приложенного к МДП-структуре, частоты изме­рительного сигнала и скорости изменения смещения.

Измерение емкости, точнее дифференциальной емкости, произво­дят, прикладывая к структуре переменное напряжение с небольшой амплитудой (десятки, сотни милливольт), частота которого выбирает­ся в зависимости от целей исследования - от 10 Гц до 10⁷ Гц и выше. Одновременно к структуре прикладывается относительно медленно из­меняющееся напряжение смещения, задающее распределение потен­циалов и зарядов в полупроводнике. Напряжение смещения может быть положительным или отрицательным, может изменяться ступенчато или непрерывно. Его величина при исследовании МДП-структуры обычно изменяется в пределах ± 10 В.

Рассмотрим качественно ход изменения дифференциальной емко­сти (далее для краткости - емкости) МДП-структуры на основе крем­ния р-типа (рис. 9.3). При подаче на металлический электрод отрица­тельного смещения приповерхностный слой обогащается дырками, ем­кость С₂ в этом случае максимальна, и полная емкость (см. формулу (9.1)) определяется емкостью диэлектрика. Отношение С/C₁ =1. Когда напряжение смещения равно нулю и в идеальной МДП-структу­ре искривления зон нет, емкость С₂ уменьшается, общая емкость С имеет характерную величину, обозначаемую как емкость плоских зон С_FB. При подаче на металлический электрод положительного смеще­ния в приповерхностной области концентрация основных носителей падает, появляется и затем расширяется область отрицательного объ­емного заряда (плотность объемного заряда определяется концентра­цией неосновных носителей заряда (электронов)). Емкость эквивален­тного конденсатора C₂ вследствие этого уменьшается, падает и общая емкость С. Дальнейший рост положительного смещения приводит к возникновению инверсного слоя. Более детально эта ситуация отобра­жена на рис. 9.4. Здесь рассмотрен случай полупроводника р-типа. В случае полупроводника n-типа знак приложенного напряжения дол­жен быть отрицательным, изгиб зон будет направлен в противополож­ную сторону, заряд, напряженность электрического поля и распределе­ние потенциала изменяют свой знак. Поведение емкости в зависимости от смещения в этом диапазоне напряжений существенно зависит от частоты, на которой производится измерение.

Рис. 9.3. Вольтфарадные зависимости МДП-структуры с полупроводником р-типа:

а – измерения на низкой частоте; б – измерения на высокой частоте при медленной развертке смещения;

в – измерения на высокой частоте при быстрой развертке смещения; С – емкость МДП-структуры;

С₁ – емкость диэлектрика.

Если измерение емкости происходит на низкой частоте (10...100 Гц), заряд неосновных носителей инверсного слоя, скорость изменения которого определяется скоростью генерационно-рекомбинационного процесса, успевает изменяться с частотой измерительного напряже­ния. Высокая плотность заряда в инверсном слое определяет большую емкость эквивалентного конденсатора С₂, и емкость структуры вновь определяется емкостью диэлектрика, С=C₁ (см. кривую а на рис. 9.3).

При измерении на высокой частоте заряд в инверсном слое (Q_n на рис. 9.4) не успевает изменяться за период измерительного напряже­ния, и связанная с ним емкость C_n=Q_n / dU не проявляется (d Q_n = 0). Если в этом случае напряжение смещения U_cm изменяется не быстро и заряд инверсного слоя "следит" за изменением U_cm, возрастая с ростом U_cm, он будет препятствовать дальнейшему расширению области про­странственного заряда. Емкость С₂, определяемая на высокой частоте только изменением заряда в обедненной области (рис. 9.4 а), будет сохраняться неизменной, общая емкость не изменяется с увеличением смещения, этот случай соответствует кривой б на рис. 9.3. Если при измерении на высокой частоте величину смещения также изменять достаточно быстро, чтобы заряд в инверсном слое не успевал "следить" за величиной напряжения смещения, заряд инверсного слоя не будет препятствовать расширению области пространственного заряда и ем­кости С₂ и, следовательно, С будут продолжать уменьшаться (кривая в на рис. 9.3).

Примечание: В области обеднения заряд создается перемещением основных носителей, которым доступны частоты 10¹¹…10¹³ Гц, т.е. практически всегда этот заряд будет реагировать на изменение напряжения, приложенного извне.

Рис. 9.4. Идеальная МДП-структура в условиях инверсии:

а) – зонная диаграмма; б) – распределение зарядов;

в) – распределение электрического поля; г) – распределение потенциала.