Історія проблеми

Безумовно і сама назва ефект поля, і її розвиток на першому етапі завдячує геніальній особистості Вільяму Шоклі. Очевидно, що дана проблема належить до міждисциплінарного класу, що лежить на пересіченні фундаментальної фізики та інженерії. Вона зародилась в кінці 20-х років 20-го століття, як прикладна реакція на стрімкий розвиток фундаментальної науки - квантової механіки. Тоді ж цілком стихійним чином, фундаментальна наука почала своє стрімке впровадження в практику, що вилилось у другій половині 20-го століття в т.з. лозунг "наука - виробнича сила технічного прогресу". На протязі майже 80-ти років свого існування даний напрям розвитку науки переживав свої злети та падіння, проте на жодному з етапів фундаментальні дослідження не брали гори і не вказували шлях розвитку.

Слід відзначити, що сама проблеми виникла в галузі інженерії, тому пріоритет був захищений патентами в США - Лілієнфельдом, а у Великобританії - Хейлом. Це були досить тривіальні ідеї по практичній реалізації напівпровідникового підсилювача, управління котрого здійснювалось електричним полем. Здійснити ці ідеї на практиці спробував Шоклі в кінці 30-х років 20-го століття. В якості напівпровідника тоді використовували германій, в якості діелектрика - пластинки слюди, роль металічного електрода - металічна пластинка або металізоване покриття пластинки слюди. Звичайно Шоклі отримав модуляцію провідності поверхні германія, проте ефект був незначним. Більше того, досить нестабільним в часі, що не дозволяло впровадження його в серійне виробництво. Тільки в другій половині 40-х років 20-го століття, стало зрозумілим, що основним дестабілізуючим фактором були т.з. поверхневі стани в напівпровіднику. Та і сам вибір напівпровідника (германій) був не самим кращим (навіть сьогодні практично відсутня технологія виготовлення МДН- структур на германії!).

Першим помітив домінуючу роль поверхневих станів в напівпровіднику Бардін, котрий потім разом з Браттейном відкрив т.з. біполярний ефект. Тут необхідно відзначити, що на той час ще не існувало теорії випрямляючих переходів в напівпровіднику (щоб потім не писали вітчизняні спеціалісти в галузі напівпровідників) і тому навіть сам процес випрямлення приписувався поверхневим станам. Розміщуючи досить близько точкові контакти майбутніх еміттера та коллектора Бардін, разом з Браттейном і "відкрили" біполярний ефект, а по суті вперше запропонували практичну реалізацію біполярного транзистора на точкових контактах. Очевидно, що на той час ніякої теорії звичайно не було, і тому міфічна взіємодія контактів еміттера та колектора (чим ближче розташовані, тим сильніше підсилення) і сприймалась на той час, як фізичне явище (ефект), теорія котрого як сподівались тоді буде розроблена пізніше. Сама назва ефект поля появилась вперше в роботі Шоклі та Пірсона, в якій експериментально було доказано існування поверхневих станів в напівпровіднику. Роль Шоклі на цьому етапі була незначна, оскільки він піддався розчаруванню, визваному неможливістю на той час реалізації ефекта поля. Проте "відкриття" біполярного ефекту стимулювало Шоклі на фундаментальні дослідження спершу точкового переходу, потім сплавного переходу і, нарешті всім відомого p- n -переходу, що з часом і вилилось в теорію p- n -переходу Шоклі, а потім і в теорію біполярного транзистора, що базувалася на понятті квазірівня Фермі.

З появою напівпровідникових переходів та біполярних транзисторів розпочалася нова технологічна ера обробки напівпровідників, зпершу германію, а потім і кремнію. Відпрацьовувалися інженерні методи вирощування кристалів та технології розрізання пластин з наступним їх шліфуванням. Більше того, розроблювалися методи дифузії та епітаксії домішок шляхом фотолітографії і т.і. І тільки на кінець 50-х років 20-го століття рівень розвитку технологій досяг зрілості, і шляхом розробки технології пасивації поверхні кремнію Аталлою та Кангом нарешті була створена МДН- структура на кремнії з більш- менш стабільними характеристиками.

Пасивація поверхні кремнію стабілізовала поверхневі стани і стала можлива практична реалізація МДН- транзисторів. Перші феноменологічні моделі МДН- тразисторів появились в піонерських працях Хофштейна, Хеймана, Іхантоли та Молла. Проте, основна фундаментальна праця по створенню теорії МДН- транзистора, що базується на фундаментальних принципах поверхневої провідності була створена в 1964 році учнем Шоклі - Са.

МДН-транзистор (MOS — transistor) — напівпровідниковий прилад, що як базовий фізичний принцип використовує ефект поля.

Типовий МДН-транзистор складається з МД/ОН- структури (метал- діелектрик/окисел- напівпровідник, наприклад n— типу), та двох p— карманів для електродів джерела(source) та стоку(drain). Металічний управляючий електрод називається затвором (gate), а напівпровідниковий — підкладкою (bulk). Відомо, що МДН-структури мають три режими роботи: збагачення або акумуляції (з власною провідністю напівпровідника); слабої інверсії (із змішаною провідністю) та сильної інверсії (з інверсною провідністю). Тому в принципі можна використовувати будь-який з цих трьох режимів роботи для практичної реалізації МДН-транзистора, і на перших порах в 60-х роках їх і використовували при серійному виробництві (звідси має витік певна неоднозначність навіть в назвах цих приладів, оскільки одні працювали на основних носіях, другі — на неосновних, а треті мали змішану провідність, тому їх просто називали польові транзистори). Проте з часом переміг один режим роботи МДН-транзистора — «режим сильної інверсії», і тому сьогодні тільки з ним і пов"язується однозначно назва «МДН-транзистор». Але навіть в цьому разі реальні прилади можуть працювати в двох режимах роботи: слабої (при включенні), та сильної (нормальний режим) інверсій. В загальному випадку можлива реалізація МДН-транзисторів двох типів: n— канальних та p— канальних. Більше того, обидва типи МДН-транзисторів можуть бути виготовлені на одній підкладці. В цьому випадку говорять про комплементарні (КМОН-) транзистори. На КМОН- транзисторах досить легко реалізувати цифрові логічні схеми (наприклад — «інвертори»). Вигода від використання КМОН- логічних інверторів очевидна, оскільки вони в статичному режимі не споживають енергії. Дійсно, не залежно від логічного стану на виході інвертора, завжди один із послідовно включених транзисторів є «відкритий», а інший «закритий», тому струм через них не протікає. Проте при перемиканні логічного інвертора із одного стабільного стану в інший (перехідний процес) звичайно струм протікає, і його слід враховувати (особливо при високих тактових частотах логічних схем).

Принцип роботи

Після розв'язання проблеми поверхневих станів на початку 60-х років 20-го століття появились перші МДН-транзистори, а разом з ними і перші феноменологічні моделі їхньої роботи. Не зважаючи на достатню розробленість мікроскопічної теорії поверхневої провідності напівпровідника в ефекті поля, використати її при описі реальних МДН-транзисторів було не так просто, оскільки перша мала справу з мікроскопічними потенціалами, а другі — з макроскопічними напругами.

Тому перші фізико-математичні моделі МДН-транзисторів Хофштейна, Хеймана, Іхантоли та Молла мали чистий феноменологічний характер і використовували тільки макроскопічні напруги не пов'язані з мікроскопічними потенціалами.

Основною проблемою тут виступала задача введення квазірівнів Фермі для опису термодинамічної нерівноваги в умовах протікання електричного струму в каналі МДН- транзистора. Першому вдалося розв'язати цю проблему учню Шоклі — Са. Тому після двох публікацій Са в середині 60-х були закладені основи взаємозв'язку між макроскопічними величиними (струми та напруги на електродах МДН- транзистора) та мікроскопічними величинами на поверхні напівпровідника (поверхневі потенціали та концентрації носіїв).

[ред.]Властивості індукованого переходу

Звичайно вперше концепцію квазірівнів Фермі ввів Шоклі для опису металургійних p-n— переходів. Тому Са пішов тривіальним шляхом розповсюдження даної концепції на індуковані переходи. Індукований перехід відрізняється в першу чергу від металургійного тим, що на поверхі напівпровідника створюються тільки потенція для провідності оберненого типу відносно глибинних шарів напівпровідника. Тобто сам напівпровідник МДН-структури не має можливості для заповнення інверсними носіями поверхні напівпровідника, тому для цього по боках каналу формували кишені з інверсною провідністю відносно підкладки. Якщо цього не зробити, то отримаємо весь комплекс інерційних низькочастотних явищ в C- V- характеристиках МДН-структури (в районі 100 Герц). Другою особливістю індукованого переходу є те, що він є достатньо різкий відносно металургійного. Це обумовлено технологією обробки поверхні кремнію, котра є значно вища і контрольованіша за реальні металургійні переходи. Звичайно, вона ще далека від параметра решітки, проте вже достатньо близька до нього (в металургійних переходах такої різкості добитися взагалі не можливо). Справа в тому, що в «точці» самого переходу квазірівні електронів та дірок однакові за величиною і збігаються із серединою забороненої зони напівпровідника. Тобто в цій точці ми маємо власний напівпровідник, і тому чим тонша буде ця перехідна область (буде різкішою), тим ближче буде реальний перехід до ідеального, для якого розроблена мікроскопічна теорія.

Електрод затвора є основним управляючим електродом, котрий задає поверхневий потенціал напівпровідника МДН-структури, котра в свою чергу описується стандартним рівнянням Пуассона в ефекті поля. Тому при відсутності напруг на електродах стока та підкладки (нульові значення) ми і отримуємо зв'язок між мікроскопічними потенціалами на поверхні розділу діелектрик- напівпровідник () та макроскопічними напругами на затворі () через теорему Гауса для зарядів на ємності МДН-структури. Звичайно цей стан поверхні напівпровідника з інверсною провідністю також є станом поперечної термодинамічної нерівноваги (тому поверхневий потенціал тут є також квазіпотенціалом Фермі), проте відсутність поперечного струму через МДН-структуру (наявність діелектрика!) дозволяє нехтувати тут нерівноважністю і вважати сам індукований перехід, як варіант металургійного. Очевидно, що це справедливо тільки для постійних напруг на затворі МДН-структури, а коли вона змінюється (при чому з великою частотою) то термодинамічна нерівноважність повинна вносити свої корективи в «ідеальний індукований перехід». Це приведе до того, що статичні параметри індукованого переходу будуть відрізнятися від динамічних.