- •Конспект лекций
- •Оглавление
- •Элементы зонной теории твердых тел
- •Статистика электронов и дырок в полупроводниках
- •Литература…………………………………………………………. .73
- •Приложение 2 Фазовая и групповая скорости, фононы………….. 87
- •1. Элементы зонной теории твердых тел
- •1.1 Электронный газ в периодическом потенциальном поле
- •1.2. Зоны Бриллюэна
- •1.3. Эффективная масса электрона
- •1.4. Зонная схема кристаллических тел - проводники, диэлектрики, полупроводники
- •2. Статистика электронов и дырок в полупроводниках
- •2.1. Собственные и примесные полупроводники
- •2.2. Зависимость концентрации свободных носителей в полупроводнике от положения уровня Ферми
- •2.3. Уровень Ферми и равновесная концентрация носителей в невырожденных собственных полупроводниках
- •2.4. Положение уровня Ферми и концентрация носителей в примесных полупроводниках
- •2.5. Неравновесные носители, рекомбинация носителей
- •2.6. Поверхностная рекомбинация
- •2.7. Уравнение непрерывности
- •3. Электропроводность твердых тел
- •3.1. Движение электронов под действием внешнего поля
- •3.2. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры
- •3.3. Электропроводность чистых металлов
- •3.4. Электропроводность собственных полупроводников
- •3.5. Электропроводность примесных полупроводников
- •3.6. Диффузионные уравнения
- •4. Контактные явления
- •4.1. Контакт электронного и дырочного полупроводников
- •4.2. Равновесное состояние р-n-перехода
- •4.3. Зонная диаграмма р-n-перехода при положении внешнего поля
- •4.4. Вах тонкого р-n-перехода
- •5. Поверхностные явлении
- •5.1. Поверхностные состояния
- •5.2. Эффект поля. Мдп-структуры
- •5.3. Вольт-фарадная характеристика
- •6. Полевые транзисторы
- •6.1. Общие сведения
- •6.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •6.3 Статические характеристики
- •6.4. Основные параметры мдп-транзисторов
- •6.5 Полевые транзисторы с управляющим
- •7. Электрофизические свойства p-n-переходов и структур металл-диэлектрик-полупроводник
- •7.1. Барьерная и диффузионная емкость p-n-перехода
- •7.2. Механизмы пробоя p-n-переходов
- •7.3. Механизмы переноса заряда через тонкие диэлектрические пленки
- •Сильно-полевая туннельная инжекция и инжекционная модификация.
- •Литература
- •Прямоугольный барьер полубесконечной толщины
- •Приложение 2 Фазовая и групповая скорости, фононы
5.3. Вольт-фарадная характеристика
Рассмотрим емкость МДП-стуктуры с полупроводником n-типа при изменении напряжения смещения на металлическом электроде при наложении переменного сигнала.
В режиме обогащения в МДП-структуре с полупроводником n-типа (плюс на металлическом электроде) электроны притягиваются к поверхности и в приповерхностном слое полупроводника возникает заряд QS притянутых электронов, по величине равный заряду QМ, индуцируемому на металлическом электроде (рис. 5.3). С увеличением напряжения толщина заряженного слоя сохраняется практически неизменной и рост заряда QS происходит за счет повышения объемной плотности. Поэтому емкость структуры не зависит от приложенного напряжения.
В состоянии обеднения электроны отгоняются от поверхности полупроводника и в приповерхностном слое образуется неподвижный заряд ионизированных доноров QС= qNДdП, где dОПЗ- толщина области поверхностного заряда (ОПЗ) (рис. 5.4). Емкость такой структуры будет складываться из емкостей двух последовательно соединенных конденсаторов: конденсатора образованного диэлектрическим слоем dД и конденсотора образованного обедненным слоем dОПЗ.
Емкости этих конденсаторов при единичной площади равны:
СД=, СОПЗ=.
Емкость СОПЗ зависит от падающей на полупроводнике разности потенциалов, так как с ее изменением меняется толщина обедненного слоя dОПЗ, играющая роль расстояния между обкладками конденсатора.
Емкость структуры в целом будет равна:
, (5.3.1)
С=. (5.3.2)
С ростом напряжения смещения ширина ОПЗ увеличивается, вследствие чего емкость СОПЗ уменьшается. При этом уменьшается и общая емкость. Это происходит до наступления инверсии. В состоянии инверсии к поверхности полупроводника притягиваются дырки, образуя положительный заряд QР рис. 5.5. До наступления инверсии рост заряда в полупроводнике QП определяется ростом заряда ОПЗ и увеличением dОПЗ, а после наступления инверсии- ростом заряда QР. Поскольку толщина инверсного слоя, образованного дырками почти не зависит от приложенного напряжения, то в состоянии инверсии емкость структуры не зависит от напряжения.
На рис. 5.6 показаны вольт-фарадные характеристики МДП-структуры. Минимум кривой С=f(U) соответствует образованию инверсного слоя и характеризуется напряжением инверсии Uuн. При высокочастотном сигнале не основные носители, в данном случае дырки, не успевают следить за сигналом, поэтому емкость полупроводника определяется емкостью ОПЗ и не зависит от заряда дырок, а так как после образования инверсного слоя ширина ОПЗ не меняется, то и С=f(U) остается постоянной. При низкочастотном сигнале не основные носители успевают следовать за переменным напряжением и емкость полупроводника определяется в этом случае зарядом дырок в инверсном слое, который быстро растет с напряжением. Следовательно возрастает и общая емкость структуры, вплоть до ССД. Затем С не меняется с ростом напряжения, так как емкость структуры определяется емкостью СД, которая в этом случае меньше СП емкости полупроводника.
Кроме рассмотренных в МДП-структуре может возникать заряд на поверхностных состояниях QSS и заряд в диэлектрике, который приводит к сдвигу ВФХ вправо или влево по оси напряжений.