Если применить формулу к металлам (хотя это не совсем правомерно), то при свойственных им огромных концентрациях свободных носителей 10²²-10²³ см^-3 дебаевская длина l_D лежит в пределах десятых долей нанометра, что соответствует 1-2 межатомным расстояниям. Подобная оценка хорошо иллюстрирует тот известный факт, что заряды в металле всегда сосредоточены на поверхности, внутри металла заряды и электрические поля отсутствуют.

Режим обеднения соответствует такой полярности приложенного напряжения, при которой основные носители отталкиваются от поверхности. В этом случае поверхностный потенциал может иметь гораздо большие значения, чем в режиме обогащения (рис. 5.24,б). Отталкивание основных носителей, как уже отмечалось, приводит к появлению объемного некомпенсированного заряда примесных ионов.

Предположим, что граница обедненного слоя резкая и расположена на расстоянии 1₀ от поверхности. Плотность объемного заряда в обедненном слое примем постоянной и равной qN, где N - концентрация ионизированной примеси. Подставляя значение л = qN в уравнение Пуассона и используя граничные значения Е (l_Q)= 0 и ц(1₀) = 0, получаем после двукратного интегрирования:

Положив в этом выражении х = 0 и ц(0) = ц_s, найдем протяженность (толщину) обедненного слоя:

(5.7)

Хотя структура выражений (5.7) и (5.6) одинакова, между ними есть и существенная разница: дебаевская длина зависит только от свойств материала, тогда как толщина объемного заряда зависит еще и от приложенного напряжения, поскольку от него зависит потенциал ц_S (рисунок 5.23). Обычно величина l₀ в несколько раз превышает величину l_D.

С ростом напряжения основные носители продолжают отталкиваться (а обедненный слой расширяться), но одновременно к поверхности притягиваются неосновные носители. Когда нарастающий заряд неосновных носителей превысит заряд оставшихся основных, изменится тип проводимости приповерхностного слоя. Этот случай характеризуют термином инверсия типа проводимости, а слой, образованный неосновными носителями, называют инверсионным слоем (рисунок 5.24, в).

С точки зрения зонной теории образование инверсионного слоя объясняется тем, что вблизи поверхности уровень электростатического потенциала пересекает уровень Ферми. Тем самым на приповерхностном участке уровень Ферми оказывается в той половине запрещенной зоны, которая соответствует преобладанию неосновных носителей. Толщина инверсионного слоя составляет всего 1-2 нм, т.е. 3-4 постоянных решетки. Из рисунке 5.24, в видно, что инверсионный слой образуется при значении поверхностного потенциала -(ц_F - ц_E0). Дальнейшее увеличение внешнего напряжения сопровождается дальнейшим увеличением потенциала ц_S до тех пор, пока уровень Ферми не пересечет границу разрешенной зоны (рисунок 5.24, в - валентной). После этого граничный слой превращается в полуметалл, а потенциал ц_S практически не меняется и сохраняет значение.

В обычных случаях максимальный поверхностный потенциал составляет 0,6-1В.

1 Понятие потенциала. В любом сечении ПП потенциал вычисляется путем деления на заряд электрона термодинамической работы выхода электрона, определенной разностью значений уровня Ферми и уровня вакуума. Эту работу можно представить также как сумму «внутренней» работы, необходимой для перевода электрона с уровня Ферми на дно зоны проводимости и «внешней» работы - для последующего перевода электрона в свободное пространство (вакуум) называемой сродством к электрону.

Изменение потенциала определяется изменением энергии дна зоны проводимости. Таким же точно будет изменение энергии потолка валентной и среднего уровня запрещенной зоны.

Положительное напряжение вызовет увеличения падения напряжения на слое окисла должно также произойти одинаковое увеличение положительного заряда акцепторов в приповерхностной области кремния. Рост заряда акцепторов возможен только вследствие уменьшения количества дырок по сравнению с состоянием равновесия. Таким образом, усиливается обеднение основными носителями, а происходящее нарушение электрической нейтральности характеризуется появлением заряда акцепторных ионов.

С увеличением положительного потенциала увеличивается толщина слоя, где обнаруживается не скомпенсированный дырками заряд ионов акцептора.

Это состояние ПП называется состоянием поверхностного обеднения.

При напряжениях больше, чем пороговое в приповерхностном слое происходит изменение типа электропроводности (инверсия) и называют инверсной областью.

При подаче отрицательного напряжения (минус на металл, плюс на подложке) произойдет ослабление поля в окисле и уменьшение разности потенциалов на нем, так как внешнее поле противоположено по знаку внутреннему полю в состоянии равновесия, что уменьшает заряд на обкладках конденсатора по сравнению с состоянием равновесия.

Если Uвнешнее компенсирует действие разности работ выхода металла и полупроводника, то при этом накопленный в МДП заряд уменьшается до нуля и, следовательно, исчезает электрическое поле в окисле и полупроводнике.

В этом момент структура уже не находится в состоянии равновесия. Полупроводник всюду оказывается электрически нейтральным, т.е. поверхностный потенциал равен нулю.

2 Эффекты в структурах МДП

В трехслойной структуре состоящей: металла М, диэлектрика Д и полупроводника П, то на поверхности полупроводника, за счет воздействия электрического поля, произойдет разделение зарядов. Электроны будут вытесняться эл. полем, вместо них образуются дырки и, таким образом, возникает обогащенный дырками приповерхностный р-слой с повышенной проводимостью (рисунок 5.25 а).

Рисунок 5.25 - Проводимость в поверхностном слое полупроводника

При изменении полярности рисунок 5.25 б, получится поверхностный слой с преобладанием n-проводимости. Слой с повышенной концентрацией (по сравнению с объемом) основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной их концентрацией - обедненным.

Понятие «горячие» электроны. В сильном электрическом поле электроны могут приобретать энергию, значительно превышающую среднюю энергию теплового движения. Такие электроны называют «горячими». Они могут преодолевать потенциальный барьер на границе кремний-окисел и в окисле захватываться ловушками, изменяя заряд окисла.

Рисунок 5.26 - Структура

SiO₂ не имеет подвижных носителей, а поэтому перенос электронов из Al не возможен. Границу раздела металл-окисел можно рассматривать как барьер высотой 3,15 эВ, который препятствует переходу электронов из Al в SiO₂.

Аналогично для электронов кремния (подложка) на границе окисел-кремний также образуется барьер 4,22 эВ.

Таким образом, движение электронов через SiO₂ невозможно. Как же тогда происходит перераспределение зарядов? Чтобы осуществить переход электронов из Al в Si, необходима дополнительная цепь, обладающая большой проводимостью, чем окисел? Цепь возникает при подаче внешнего напряжения. В целом, указанная структура, является конденсатором в равновесном состоянии с зарядами обкладок Q и внутренней разностью потенциалов. Внешнее напряжение между Al и Si выводит структуру из состояния равновесия и изменяет величину заряда на обкладках указанного конденсатора. Так при подаче положительного потенциала на металл происходит перераспределение заряда, как в окисле, так и в полупроводники. В приповерхностном слое происходит изменение тока электропроводимости (инверсия). Состояние ПП называется состоянием инверсии, а приповерхностная область - инверсной областью. Состояние может быть как со слабой инверсией, так и с сильной. Создаются условия для протекания тока.

3. В идеальных МДП-структурах не учитывалось влияние зарядов в окисле и на границе окисел - кремний

Для оценки этого заряда, необходимо оценить порядок концентрации электронов в идеализированной МДП-структуре.

При напряжении, немного превышающем пороговое, в этот момент структура входит в инверсный режим, поверхностная плотность электронов будет того же порядка, что и поверхностная плотность примесных атомов (акцепторов): Na =

Аналогично удельная плотность кремния Nк = . Поэтому удельная плотность атомов примеси только в раз меньше удельной плотности атом кремния и будет оказывать влияние на процессы в МДП.

Классификация зарядов в окисле:

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 ПП. Эти состояния обусловлены избыточными атомами Si, избыточным кислородом или примесными атомами. Основная причина возникновения этих состояний в запрещенной зоне ПП - сама граница (слоя) является нарушением пространственной периодичности. Поверхностное состояние считается донорным, если отдает электрон, оно становится нейтральным или положительно заряженным.

Акцепторным называют поверхностное состояние, которое становится нейтральным или отрицательно заряженным при захватывании электрона.

2) Фиксированный заряд окисла расположенный на границе раздела или в непосредственной близости от нее значение этого заряда остается практически постоянно во всей области электрических полей, характерных для МДП.

3) Заряд, возникающий при облучении или при инжекции «горячих» электронов в диэлектрик.

Соответствующие ловушки более или менее равномерно распределены в слое окисла.

«Горячие» (высоко электрические электроны) могут попадать в структуру в процессе его изготовления.

В составе излучается могут быть также частицы с высокой энергией и фотоны, которые взаимодействуют на структуру в процессе его эксплуатации.

4) Заряд подвижных ионов в окисле, например, ионов натрия или калия, которые могут перемещаться в слое окисла интенсивных термополевых нагрузках в МДП. Ионы натрия и ионы калия легко абсорбируются двуокисью кремния, ионы щелочных металлов достаточно подвижны и могут дрейфовать в окисле даже при небольших приложенных внешних напряжений, при этом с ростом Т их подвижность увеличивается так как ионы металлов несут положительный заряд, то отрицательное U на затворе заставляет эти ионы перемещаться к границе металл - окисел, где, как установлено, они не оказывают влияния на напряжения плоских зон. Однако при подаче положительного U эти ионы могут мигрировать к границе окисел - кремний, где их влияние максимально.

ЛИТЕРАТУРА

1 Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высшая школа, 2005

2 Бобриков Л.З. Электроника. - СПб.: Питер, 2004

3 Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. - М.: Л. БЗ, 2004

4 Ткаченко Р.А. Техническая электроника - М.: Дизайн ПРО, 2002

5 Бобровский Ю.А. и др. Электронные квантовые приборы и микроэлектроника. - М.: Радио и связь, 1998

Размещено на Allbest.ru