Материал: Kont_v_Str-PP_ME_1
перенос заряда невозможен, так как в идеальном случае в нем нет подвижных носителей зарода. Однако практически в любой МОП-структуре ИС всегда имеется какая-либо цепь для передачи заряда, которая обладает на много большей проводимостью по сравне-
нию с оксидом. В результате перехода части электронов из металла в полу-
проводник на поверхности металла образуется тонкий слой положитель-
ного заряда, а в приповерхностной об-
ласти полупроводника – слой из отри-
цательного заряда акцепторных ионов, образовавшийся вследствие ухода части дырок (приход электро-
нов из металла в полупроводник экви-
валентен уходу части дырок из ва-
лентной зоны). На диэлектрике обра-
зуется падение потенциала, обуслов-
ленное накопленным с обеих его сторон зарядом. Поскольку в диэлектрике нет свободных зарядов, дебаевский радиус экранирования оказывается намного больше толщины диэлектрика и распределение потенциала в нем близко к линейному. В приповерхностной области полупроводника образу-
ется изгиб зон, который рассчитывается путем решения уравнения Пуассона для обедненной области [3]. Таким образом, перераспределение зарядов между металлом и полупроводником приводит к выравниванию уровней
Ферми и образованию контактной разности потенциалов c As AM , ко- e
торая распределяется между диэлектриком и обедненной областью полупро-
водника. В рассматриваемом случае падение напряжения на оксиде состав-
ляет 0,4 В. Точное значение разности энергий между металлом и полупро-
водником будет определено при решении задачи 3.30. Равновесная энергети-
ческая диаграмма МОП-структуры показана на рис. 3.28. Из энергетической диаграммы следует, что в равновесных условиях при заданных параметрах контактирующих материалов в приповерхностной области полупроводника образуется слой, обедненный основными носителями заряда.
46
Задача 3.30. Определите толщину слоя оксида кремния в МОП-струк- туре, энергетическая диаграмма которой изображена на рис. 3.28. Параметры структуры соответствуют указанным в задаче 3.29.
Дополнительные сведения и по- |
|
||||||
яснения. Из рис. 3.28 следует, что |
|
||||||
падение потенциала на оксиде Ui |
|
||||||
= 0,4 В, |
поэтому |
при |
|
||||
e c As AM 0,8 |
эВ падение по- |
|
|||||
тенциала на обедненном слое соста- |
|
||||||
вит тоже 0,4 В. Для решения задачи |
|
||||||
необходимо принять допущение об |
|
||||||
отсутствии зарядов в диэлектрике и |
|
||||||
на границе с полупроводником, т. е. |
|
||||||
вектор |
нормальной |
составляющей |
|
||||
электрического смещения на гра- |
|
||||||
нице |
непрерывен: |
iEi sEs , а |
|
||||
напряженность |
электрического |
|
|||||
поля |
в |
диэлектрике определяется |
Рис. 3.28. Энергетическая диаграмма |
||||
Ei |
Ui |
|
. Для определения |
напря- |
|||
|
МОП-структуры |
||||||
d |
|||||||
|
|
|
|
|
|||
женности электрического поля в обедненном слое Es необходимо восполь-
зоваться соотношениями (3.4) и (3.5), находя концентрацию акцепторной примеси из уравнения
Ei -Ef
NA p nie kT
Задача 3.31. Изобразите ЭД МОП-структуры, рассмотренной в задаче 3.29, если к металлу подключен отрицательный полюс внешнего источника
U0 0,8 В.
Задача 3.32. Изобразите ЭД МОП-структуры при наличии разности потен-
циалов U0 , создаваемой внешним источником.
Дополнительные сведения и пояснения.
1. Анализ влияния смещающего напряжения на ЭД проведем, пренебрегая контактной разностью потенциалов по сравнению с искривлением зон, обу-
47
словленным внешним смещением. Такое пренебрежение эквивалентно усло-
вию равенства работ выхода ( AM Ai As ) соответствует «плоским зонам»,
2. Поскольку через МОП-струк- туру постоянный ток протекать не может, такое состояние на ЭД характери-
зуется условием dEs 0, т. е. уровень
|
dx |
|
Ферми остается «плоским» вдоль всей |
|
структуры. |
|
Внешнее смещение U0 , прило- |
|
женное между металлом и полупровод- |
|
ником, вызывает лишь «скачок» уровня |
Рис. 3.29. Равновесная энергетическая |
Ферми в изоляторе и полупроводнике |
диаграмма МОП-структуры при условии |
относительно уровня Ферми в металле |
AM Ai As |
на постоянную величину eU0, но не его |
наклон или искривление как в p–n-переходе.
Решение. Если к металлу приложен отрицательный полюс внешнего источника, а к полупроводнику – положительный, то уровень Ферми в полупроводнике опустится на величину eU0 (рис. 3.30, а), при этом часть этого напряжения падает на изоляторе, а часть на полупроводнике, приводя к искривлению энергетических зон. В этом случае у поверхности кремния скапливается дополнительное количество дырок, т. е. формируется обогащенный слой. Приповерхностный обогащенный слой представляет собой слой положительного объемного заряда, образованного свободными носителями. Толщина этого слоя W определяется длиной Дебая и имеет значение порядка десятков нанометров, т.е. соизмерима с толщиной диэлектрика. Энергетическая диаграмма и распределение зарядов в МОП-структуре показаны на рис. 3.30, а, б.
Если к металлу приложен положительный полюс, а к полупроводнику – отрицательный, то уровень Ферми в полупроводнике поднимается на значение eU0 (рис. 3.31, а). В этом случае из приповерхностной области полупроводника будут уходить дырки, и будет возрастать отрицательный заряд нескомпенсированных акцепторных ионов. Соответственно будет расти и положительный заряд на поверхности металла. Такая ситуация называется режимом обеднения.
48
Рис. 3.30. Энергетическая диаграмма |
Рис. 3.31. Энергетическая диаграмма рас- |
|
пределение зарядов в МОП-структуре при |
||
распределения зарядов в МОП-структуре |
||
приложении положительного потенциала |
||
при приложении отрицательного |
||
на металл |
||
потенциала на металл |
||
|
В стационарных условиях в приповерхностной области полупроводника образуется обедненный основными носителями заряда слой толщиной W. Соответствующая энергетическая диаграмма и распределение зарядов показаны на рис. 3.31, а, б. Следует обратить внимание на то, что на ЭД (рис. 3.31, а) значение смещающего напряжения U таково, что уровень Ферми на поверхности полупроводника совпадает с серединой запрещенной зоны (уровнем
Ei ).
Задача 3.33. Изобразить ЭД МОП-структуры, показанной на рис. 3.31, а, при условии, что смещающее напряжение указанной на рисунке полярности возрастает в два раза. Построить соответствующие графики ρ(х), Е(х) и φ(х).
Решение. В МОП-структуре с ростом смещающего напряжения увеличивается поле у поверхности кремния, а изгиб энергетических уровней становится более значительным как в диэлектрике, так и в приповерхностной области полупроводника. Эта приповерхностная область обеднена основными носителями, и поэтому генерация носителей здесь превосходит рекомбинацию. Электрическое поле разделяет генерируемые электронно-дырочные пары: дырки
49
Рис. 3.32. Энергетическая диаграмма распределение зарядов в МОП-структуре при приложении положительного потенциала
на металл
оттягиваются в глубину кремния, а электроны двигаются к границе оксид
– кремний, где и скапливаются. Если при изгибе зон под действием приложенного напряжения уровень Ферми в кремнии остается постоянным даже при достаточно высоких напряжениях, то собственный уровень Ферми Ei у по-
верхности кремния пересечет уровень Ферми EF . При этом край зоны прово-
димости у границы оксид – кремний окажется ближе к уровню Ферми, чем край валентной зоны. Следовательно, такое приложенное напряжение создает в кремнии инверсный слой, т.е. у поверхности полупроводника количество электронов превышает количество дырок, хотя исходный материал р-типа. Таким образом, напряжение, приложенное между металлом и кремнием, индуцирует около поверхности р–n-переход (точка Κ на ЭД). Изображение ЭД в режиме инверсии приведено на рис. 3.32, а. Как видно на ЭД, разность EC EF на поверхности крем-
ния равна разности EF EV в глубине,
что соответствует условию сильной инверсии. При дальнейшем увеличении смещения концентрация электронов в инверсном слое будет выше концентрации акцепторов в кремнии. На рис. 3.32, б показано накопление зарядов в МОП-структуре, смещенной в режим инверсии. Весь слой свободных электронов Qinv сосредоточен у по-
50