7.4.3. Особенности реальной мдп-структуры

Предыдущее рассмотрение относилось к идеализированной МДП-структуре, так как не учитывалось влияние зарядов в окисле и на границе окисел-кремний.

Чтобы оценить значимость этого заряда, сначала следует оценить порядок концентрации электронов в рассмотренной иде­ализированной МДП-структуре. При напряжении, немного превы­шающем пороговое, когда структура входит в инверсный режим, поверхностная плотность электронов (удельная плотность) бу­дет того же порядка, что и поверхностная плотность примесных атомов (акцепторов) на единицу площади поверхности N_а (см^-2). Для равномерно распределенных примесных атомов при объем­ной плотности N_а (см^-3) удельная плотность может быть опреде­лена как N_а^⅔. Если N_а = 10¹⁵ см^-3, то удельная плотность N_а =10¹⁰ см^-2. Аналогично удельная плотность кремния при его объ­емной плотности 5·10²² см^-3 составит (5·10²²) ^⅔ = 1,35·10²² см^-2. Поэтому удельная плотность атомов примесей только в 10⁵ раз меньше удельной плотности атомов кремния и будет оказывать влияние на процессы в МДП-структуре.

В настоящее время принята следующая классификация зарядов в окисле [4].

1. Заряд, захваченный поверхностными ловушками кремния и представляющий собой заряд электронных состояний, которые локализованы на границе раздела Si – SiO₂ и энергетические уровни которых находятся в «глубине» запрещенной зоны полу­проводника. Эти состояния обусловлены избыточными атомами кремния (наличие трехвалентных атомов кремния), избыточным кислородом или примесными атомами. Основная причина возни­кновения этих состояний в запрещенной зоне полупроводника за­ключается в том, что сама граница раздела («скол») является на­рушением пространственной периодичности. Поверхностное со­стояние считается донорным, если, отдавая электрон, оно стано­вится нейтральным или положительно заряженным. Акцептор­ным называют поверхностное состояние, которое становится нейтральным или отрицательно заряженным при захватывании электрона.

2. Фиксированный заряд окисла Q_ок, расположенный на гра­нице раздела или в непосредственной близости от нее. Величина этого заряда остается практически постоянной во всей области электрических полей, характерных для МДП-структур.

3. Заряд, возникающий при облучении (например, рентгенов­ском) или при инжекции «горячих» электронов в диэлектрик. Со­ответствующие ловушки более или менее равномерно распреде­лены в слое окисла. «Горячие» (высоко энергетические электро­ны) могут попадать в прибор в процессе его изготовления. В со­ставе излучения могут быть также частицы с высокой энергией и фотоны, которые воздействуют на прибор в процессе его эксплу­атации (например, в условиях космоса).

4. Заряд подвижных ионов в окисле, например ионов натрия Na⁺ или калия К⁺, которые могут перемещаться в слое окисла при интенсивных термополевых нагрузках в МДП-структурах. Ионы натрия и калия легко абсорбируются двуокисью кремния. Натрий особенно широко распространен во многих металлах и химикатах и легко переносится в окисел. Ионы щелочных металлов достато­чно подвижны и могут дрейфовать в окисле даже при относитель­но небольших приложенных напряжениях, при этом с ростом тем­пературы их подвижность увеличивается. Так как ионы металлов несут положительный заряд, то отрицательное напряжение на затворе заставляет эти ионы перемещаться к границе металл-окисел, где, как установлено, они не оказывают влияния на на­пряжение плоских зон (7.39). Однако при подаче положительного напряжения эти ионы могут мигрировать к границе окисел-крем­ний, где их влияние максимально.