МДП-структура (металл - диэлектрик - полупроводник)
- структура, образованная ' пластиной полупроводника П, слоем диэлектрика Д
на одной из её поверхностей и металлич. электродом (затвором M, рис. 1). При
подаче на МДП-с. напряжения V в полупроводнике вблизи границы с диэлектриком
возникает электрич. поле. Оно перераспределяет заряды в полупроводнике, изменяя
концентрацию носителей заряда вблизи поверхности, и, следовательно, изменяет
электропроводность приповерхностного слоя полупроводниковой пластины (см. Поля
эффект). Свойства МДП-с. впервые исследовали амер. физики У. Шокли (W. Shockley)
и Дж. Л. Пирсон (G. L. Pearson).
Рис. 2. Энергетическая диаграмма МДП-струк-туры
на основе полупроводника р-типа при отсутствии напряжения V на затворе. Заштрихованы
состояния, занимаемые электронами при T = 0 K; F - работа выхода
металла; -
энергия электрона в вакууме;
-
потолок валентной зоны;
-
дно зоны проводимости;
-
уровень Ферми;
-
ширина запрещённой зоны полупроводника.
Энергетич. диаграмма МДП-структуры изображена
на рис. 2 с полупроводником n-типа. Призоны
не изогнуты. Если
,
то возникает изгиб зон; здесь возможны три
случая. Если
то
изгиб зон "вверх" (рис. 3, я)
приводит к увеличению числа дырок у поверхности полупроводника, т. к. их концентрация
(T - темп-pa).
Вблизи поверхности полупроводника формируется
слой, обогащённый осн. носителями (см. Контактные явления в полупроводниках). При
зоны изгибаются "вниз" (рис. 3, б)и в приповерхностной области
уменьшается число осн. носителей (обеднённый
слой). При дальнейшем увеличении положит, напряжения зоны изгибаются столь сильно,
что середина запрещённой зоны вблизи поверхности опускается ниже
(рис. 3, в). С этого момента концентрация
электронов превышает концентрацию дырок (инверсионный слой).
Рис. 3. Энергетическая диаграмма МДП-структуры
на основе полупроводника р-типа при V < 0 (а), V> 0 (б),
V >0 и
(в).
Рис. 4. Участок зонной диаграммы приповерхностной
области МДП-структуры (рис. 3, е) в режиме сильной инверсии;-
середина запрещённой зоны;
--
электростатический потенциал; заштрихованы состояния, занятые электронами при
К.
При сильной инверсии, когда дно зоны проводимости
опускается
ниже
(рис. 4),
концентрация электронов в инверсионном слое
слабо зависит от температуры T, а проводимость
инверсионного
слоя приобретает моталлич. характер:
Инверсионный слой отделён от объёма полупроводника
обеднённым слоем, где имеется фиксиров. заряд, связанный с донорами и акцепторами,
а концентрация электронов и дырок мала.
Характеристикой изгиба зон служит электростататический потенциал
, который изменяется от 0 в объёме ника до значения
на его поверхности
.
При высоких темп-pax и слабой инверсии концентрация
электронов ге и дырок r в слое экспоненциально зависит от
:
где -
равновесные концентрации электронов и дырок
в объёме полупроводника. При сильной инверсии и понижении температуры в инверсионном
слое возникает ферыиевское вырождение газа электронов (или дырок).
Ёмкость МДП-структуры. Из условия электро-пейтральности
МДП-с. следует, что заряд на метал-лич. затворе Q равен сумме заряда
в инверсионном слое
и заряда ионизованных акцепторов ц доноров в обеднённом слое полупроводника
Здесь W - толщина обеднённого слоя, Na и N'д - концентрации соответственно акцепторов и доноров
в объёме полупроводника, е - элементарный заряд.
Полное напряжение V, приложенное к МДП-с.,
распределяется между слоем диэлектрика и слоем пространственного заряда в полупроводнике;
МДП-с. можно рассматривать как последоват. соединение 2 конденсаторов. Дифференц.
ёмкость на единицу площади
определяется соотношением
где -ёмкость
диэлектрика,
- дифференц. ёмкость полупроводника.
При V < 0 (режим обогащения) ёмкость
и полная ёмкость С близка к Сдиэл (рис. 5). При
(обеднение) область обеднения служит добавочным слоем диэлектрика и ёмкость
МДП-с. падает. В области инверсии (V > 0) дифференц. ёмкость образовавшегося
инверсионного слоя намного превышает ёмкость диэлектрика и С ~ Сдиэл.
Это означает, что почти весь заряд, вводимый
в МДП-с., при дальнейшем увеличении V (при сильной инверсии) сосредоточивается
в инверсионном слое.
То же самое происходит и при низких теми-рах
, когда проводимость
в объёме
полупроводника становится исчезающе малой ("вымерзает"):
при изменении V заряд обеднённого слоя не успевает измениться и равновесие
между объёмом полупроводника и инверсионным слоем практически не устанавливается.
В этом случае для изменения заряда инверсионного слоя необходим омический контакт
непосредственно с ним. В обоих случаях концентрация носителей заряда в инверсионном
слое Ns линейно связана с V:
где-
т. н. пороговое напряжение, зависящее от физических свойств границы диэлектрик - полупроводник.
В реальной МДП-с. вблизи границы раздела существуют связанные электронные состояния, непрерывно распределённые по энергии в пределах запрещённой зоны (обусловленные дефектами кристаллич. решётки, примесными ионами и т. д., концентрирующимися вблизи границы раздела полупроводник - диэлектрик). Перезарядка этих состояний при изменении V может происходить с разл. скоростью, поэтому в случае переменного V т. н. вольт-фарадные характеристики реальных МДП-с. зависят от его частоты.
Наиболее распространена кремниевая МДП-структура, в которой слоем диэлектрика слугкит SiO2 (МОП-структура,
от металл - окисел - полупроводник). Её достоинства - малая концентрация связанных
электронных состояний на границе Si - SiO2 (1010-1011
см-2) и высокая электрическая прочность SiO2, благодаря
чему концентрация носителей может достигать 1013 см-2.
Кремниевая МОП-структура является основой МОП-транзисторов - приборов с зарядовой
связью. Она является также объектом физ. исследований благодаря тому, что тонкий
приповерхностный инверсионный слой представляет собой квантовую двумерную электронную
систему с электрически управляемой энергией Ферми (или концентрацией носителей).
На МДП-с. были обнаружены и изучаются такие явления, как андерсеновская локализация,
квантовый Холла эффект, отрицат. магнетосопротивление, квантовые
осцилляции хим. потенциала и др.
Помимо кремниевой МДП-с. используют и изучают МДП-с. на основе Ge, InSb, GaAs и др.
В. M. Пудалов
|
![]() |