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 релятивизм (СТО и ОТО) не является истинной наукой? - Истинная наука обязательно опирается на причинность и законы природы, данные нам в физических явлениях (фактах). В отличие от этого СТО и ОТО построены на аксиоматических постулатах, то есть принципиально недоказуемых догматах, в которые обязаны верить последователи этих учений. То есть релятивизм есть форма религии, культа, раздуваемого политической машиной мифического авторитета Эйнштейна и верных его последователей, возводимых в ранг святых от релятивистской физики. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.