Материал: Kont_v_Str-PP_ME_1

При отсутствии внешнего источника тока стационарному состоянию перехода соответствует одинаковое положение уровней (квазиуровней) Ферми в полупроводниках. ЭД перехода в этом состоянии представлена на рис. 3.23, а. На рис.3.23, б, в, г показаны распределения ρ(x), Е(х), φ(x) в пределах перехода. Для определенности принято, что концентрация акцепторов в GaAs (NA1)

вдвое превосходит концентрацию доноров (ND1) в Al0,3Ga0,7As . Различие в

значениях , образующих гетеропереход полупроводников, обусловливает разрыв на границе их раздела напряженности электрического поля. При этом в отсутствие поверхностного заряда на границе раздела индукция электрического поля изменяется непрерывно. Контактная разность потенциалов φc, обеспечивающая выравнивание уровней Ферми в обеих частях гетероперехода, определяется разностью работ выхода А1 - А2 (рис. 3.23, г). Соотношение между разностями потенциалов границы раздела и электронейтральных областей полупроводников имеет следующий вид

тронов n различны (рис. 3.23, а). Из анализа ЭД гетероперехода следует, чтоp n , p n EC EV 0,5 эВ, т. е. различие в высоте барьеров для дырок и электронов определяется различием в значениях ширины запрещенных зон контактирующих полупроводников.

Задача 3.26. Определите численные значения C , Wn , Wp , Wp n , n

p , n p и удельную емкость Cs для гетероперехода, рассмотренного в за-

даче 3.25, при ND1 1018 см-3 и ND2 1017 см-3

Дополнительные сведения и пояснения. Для получения расчетных формул следует воспользоваться результатами решения задачи 3.12 и учесть различие

и EG в гетероструктуре. В частности, ширина области обеднения для р-обла-

сти перехода будет определяться уравнением

а удельная емкость гетероперехода

42

Задача 3.27. Проанализируйте с помощью ЭД процессы переноса носителей заряда в р–п-гетеропереходе при наличии разности потенциалов U, создаваемой внешним источником.

Решение. Порядок решения аналогичен использованному в задаче 3.15. Анализ проводится на основе представлений о влиянии внешней разности потенциалов на интенсивности дрейфовых и диффузионных потоков основных н неосновных носителей заряда через гетеропереход. Как и в случае гомоперехода (см. рис. 3.14), при U = 0 эти потоки скомпенсированы и ток через переход отсутствует.

При прямой полярности U высота энергетических барьеров для основных носителей уменьшается на значение eU, что приводит к экспоненциальному увеличению их диффузионных потоков. В отличие от гомоперехода, в

рассматриваемом случае p n (см.

рис. 3.23, а) и приращения Jn,D и

J p,D не одинаковы, т. е. Jn,D J p,D

(см. рис. 3.24, а). Одновременно с уменьшением высоты барьера происходит сужение области, обедненной

носителями заряда W, и возрастание удельной емкости Cs гетероперехода.

Соответствующие значения W и Cs могут быть получены из соотноше-

ний (3.14) и (3.15) путем замены в них c на c U .

Неосновные носители заряда, инжектируемые в приконтактные области перехода, создают в них избыточную концентрацию неосновных носителей,

E

причем концентрация избыточных электронов в e kT раз больше, чем дырок

(ΔE – разность энергетических барьеров). Эта особенность гетеропереходов определяет их преимущество перед гомопереходами – способность создавать высокий уровень инжекции носителей одного знака (суперинжекция). Распределения концентраций неосновных носителей показаны на рис. 3.24, б.

43

При обратной полярности U процессы переноса носителей заряда анало-

гичны описанным в задаче 3.15, а значения W и Cs определяются уравнениями

(3.14) и (3.15) путем замены c на c U .

Для получения ВАХ гетероперехода необходимо учитывать большое число различных явлений, оказывающих влияние на механизм проводимости [2]. В общем виде ВАХ гетеропереходов может быть аппроксимирована зави-

eU

симостью вида I I0(e kT 1), где I0 – обратный ток, который не стремится к насыщению, а подчиняется степенной зависимости I0 ~ |U|m, (0,5 ≤ m ≤ 4).

Задача 3.28. Построить ЭД селективно легированного (ND1 >> ND2) гетероперехода GaAs – AlxGa1 xAs , нахо-

дящегося в состоянии термодинамического равновесия. Исходные параметры контактирующих материалов иллюстрируются ЭД на рис. 3.25.

Дополнительные сведения и пояс-

нения. Селективно легированный ге- Рис. 3.25. Энергетические диаграммы GaAs теропереход - это переход, в котором

AlxGa1 xAs ) сильно легирован, а узкозонный (GaAs ) – высокой степени чи-

стоты и структурного совершенства. В настоящее время гетеропереходы ис-

пользуются для создания нового типа полевых транзисторов – транзисторов со сверхвысокой подвижностью электронов в канале. В основе создания та-

кого транзистора лежит идея пространственного разделения легирующих примесных центров от носителей тока с помощью гетероперехода.

гетическая диаграмма, соответствующая этому случаю, показана на рис. 3.26.

44

Особенностью ЭД является наличие в переходной области гетероперехода в

GaAs, тонкого слоя, аккумулирующего захваченные из AlxGa1 xAs элек-

троны. Так как эти электроны находятся в очень чистом (нелегированном) арсениде галлия, их подвижность исключительно высока, особенно при низких температурах. Тонкий аккумулирующий слой в поперечном сечении представляет собой узкую (порядка длины волны Де Бройля) потенциальную яму, которая тем уже, чем выше концентрация стекающих туда электронов. Движение электронов в таком слое носит двухмерный характер - свободное вдоль канала, поперек его оно ограничено потенциальными барьерами. При двухмерном характере движения электронов их подвижность возрастает.

3.4. Структура металл – диэлектрик – полупроводник

Трехкомпонентная структура металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) занимает одно из важнейших мест в полупроводниковой электронике, поскольку её свойства определяют характеристики важнейших элементов ИС, таких как полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзи- стор) и МДП-конденсаторы. Структура, в которой в качестве диэлектрика используется собственный оксид, называется МОП-структурой. Во всем дальнейшем анализе рассматриваются свойства идеализированной МОП-струк- туры, т. е. структуры, в которой границы раздела между материалами плоские и не содержат зарядов.

Как и ранее, исходной позицией для анализа свойств МОП-структуры является построение ее энергетической диаграммы. Чтобы построить ЭД МОП-структуры, воспользуемся основными принципами и идеями, которые были применены при изучении структур металл – полупроводник и р–n-пере- ходов. Исходная позиция для анализа состоит в том, что такие системы при тепловом равновесии характеризуются постоянным уровнем Ферми.

Задача 3.29. Изобразите ЭД равновесной МОП-структуры: алюминийоксид кремния – кремний р-типа при следующих значениях параметров:

AM = 4,1 эВ; 0 = 0,95 эВ;EG = 8 эВ; s = 4,05 эВ; As = 4,9 эВ; EG,s = 1,12 эВ.

Решение. Изобразим ЭД для металла, диэлектрика и полупроводника,

когда указанные тела не находятся в непосредственном контакте (рис. 3.27).

Работа выхода металла AM меньше работы выхода полупроводника As . По-

этому при образовании плотного контакта между элементами структуры,

электроны из металла будут переходить в полупроводник. Через диэлектрик

45