МДП-структура. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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. При

зоны 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

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.

Слой пространственного заряда в МДП-структуре

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, N_a 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 С_диэл (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 ~ С_диэл.

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 N_s 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.

Кремниевая МОП-структура

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.

Литература по МДП-структурам

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.