Эффективная подвижность носителей заряда в канале

Подвижность носителей заряда в канале зависит от напряжения на затворе и от физической структуры границы раздела «полупро-водник-диэлектрик».

Если на границе раздела имеется большое количество ловушек, то большинство носителей заряда в канале будет захватываются непод-вижными ловушками. Начало процесса захвата носителей заряда, втянутых в область канала, поверхностными ловушками соответствует пороговому напряжению на затворе. В случае канала n-типа свобод-ные ловушки быстро заполняются электронами, так как концентра-ция свободных электронов в канале превышает концентрацию элек-тронов, локализованных на ловушках. Дальнейшее увеличение сво-бодных электронов в области канала не будет происходить, пока большинство ловушек не заполнится, появление тока между стоком и истоком в этом случае соответствует положительному напряже-нию на затворе, составляющему несколько вольт.

Для транзистора с каналом p-типа пороговое напряжение яв-ляется более высоким, так как у поверхности кремния существует на-чальный канал n-типа. Приложение напряжения к затвору будет первоначально приводить к обеднению этого канала, прежде чем в канале появится достаточная концентрация дырок. Кроме того, дыр-ки также будут захватываться ловушками. Процесс захвата носите-лей заряда в области канала ловушками будет уменьшать эффектив-ную подвижность. Поэтому эффективная подвижность в области ка-нала будет меньше подвижности носителей заряда в объеме:

, (2)

где n – концентрация электронов в области канала: n_t – концен-трация захваченных электронов в области канала; – концен-трация свободных электронов в области канала; – подвижность электронов в области подложки; – подвижность электронов локализованных на ловушках.

Приложение достаточно высокого напряжения к затвору так-же оказывает влияние на эффективную подвижность носителей за-ряда в канале. Толщина диэлектрического слоя, находящегося меж-ду затвором и подложкой мала и при высоких напряжениях на затво-ре поле на поверхности полупроводника может превышать 10⁸ В·м. Сильное электрическое поле оттесняет носители заряда в канале от поверхности раздела «диэлектрик-полупроводник».

В то же время граница «раздела полупроводник-диэлектрик» имеет дефекты и несовершенства. Это определяет хаотичность движения носителей заряда после столкновения с поверх-ностью и вызывает появление другого механизма рассеяния, что также уменьшает подвижность носителей заряда.

Характеристики МДП-транзистора при высоких напряжениях на затворе ухудшаются.

Концентрация подвижных носителей в области канала

Рассмотрим условную схему конструктивного выполнения по-левого транзистора с изолированным каналом (рис. 3).

Рис.3. Конструктивное выполнение МДП транзистора с каналом n-типа

Электрическое поле в окисле может быть выражено:

, (3)

где u_s– напряжение на затворе; u(y) – распределение напряжения по каналу; d_0K – толщина диэлектрика. Напряжение u(y) будет боль-ше около стока, чем около истока, поэтому инверсионный канал бу-дет толще около истока и будет тоньше около стока. Поверхностная плотность заряда под окислом будет

, (4)

где – концентрация электронов в области канала; – ди-электрическая проницаемость слоя окисла. Из этого выражения кон-центрация электронов в области канала определиться:

. (5)

С другой стороны, в состоянии равновесия по каналу не протекает ток и концентрация равновесных носителей заряда в области какала опреде-лится:

, (6)

где – равновесный электростатический потенциал на затворе;

– потенциал Ферми электронов в канале. Равновесный электро-статический потенциал на границе раздела при нулевом напряжения между стоком и истоком возрастает с увеличением напряжения на зат-воре.

Подача напряжения и между стоком и истоком приводит к появ-лению тока в области канала, и состояние становиться неравновесным. Концентрация неравновесных носителей заряда в области канала определится:

. (7)

Напряжение u и является функцией по длине канала. Это напря-жение в транзисторе с каналом n-типа вблизи стока будет больше, чем у истока.