Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
электронов с повышенной кинетической энергией, нет. В зоне проводимости
имеется множество свободных энергетических уровней, но число электронов
на них ничтожно мало, поэтому и собственная электропроводность кремния
при комнатной температуре чрезвычайно низка.
Придать электропроводность кремнию можно, введя в его кристалл атомы
другого элемента. Кремний превращается в полупроводник и-типа, если
кристалл легирован атомами элементов V группы периодической таблицы,
например фосфора или мышьяка. У последних число валентных электронов
больше, чем у атомов кремния, поэтому при включении в решетку кристалла
они отдают электроны кристаллу. Как показано на диаграмме энергетических
зон (см. рис. 26.2, а), энергетический уровень электронов легирующего
элемента Ей лежит в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости. При
комнатной температуре энергия большинства электронов донорного уровня Ей
доста-
25-1145
386
Глава 26
Ес Рис. 26.2. Диаграмма энергетических зон
, Ел
легированного кремния, а: полупроводник п-типа; б: полупроводник р-типа.
" Ер
----------------------------------------------------Ev
а
----------------------------------------Ес
Е.
Ер
Еа
t----------------------------------------
точна для того, чтобы они смогли перейти в зону проводимости. Увеличение
концентрации электронов сопровождается повышением электропроводности
кремния.
Если же кристалл кремния легировать элементами III группы периодической
таблицы, например бором или алюминием, то кремний превращается в
полупроводник д-типа. У атомов этих элементов на один валентный электрон
меньше, чем у атомов кремния, поэтому они создают неподвижные "ловушки",
захватывающие свободные электроны. Как показано на рис. 26.2,6,
энергетический уровень электронов легирующего элемента ?а близок к
валентной зоне кремния. Энергия большинства электронов валентной зоны
достаточна для их перехода на акцепторные уровни ?а, и таким образом эти
уровни целиком заполняются. Каждый валентный электрон, перешедший на один
из акцепторных уровней ЕЛ, оставляет после себя "дырку", т. е. свободный
разрешенный уровень валентной зоны, на который может перейти оставшийся в
этой зоне другой электрон. Таким образом под воздействием электрического
поля эти электроны приобретают дополнительную кинетическую энергию и
способствуют повышению электропроводности кремния р-типа.
Уровнем Ферми EF полупроводника называют такой энергетический уровень,
вероятность нахождения электрона на котором равна 1/2. В чистом кремнии
(см. рис. 26.1) уровень Ферми находится посередине между зоной
проводимости и валентной зоной; в этом случае его называют собственным
уровнем Е{. В кремнии я-типа (см. рис. 26.2, а) уровень Ферми ближе к
зоне проводимости, поскольку число электронов на уровнях выше Ек больше,
чем в чистом кремнии. В кремнии д-типа наблюдается обратная картина (см.
рис. 26.2,6). Здесь уровень EF расположен ниже Ек и ближе к валентной
зоне. Точное положение EF в запрещенной зоне зависит от концентрации
легирующего элемента, и при повышении последней разность энергий между EF
и Ех возрастает в кремнии как я-, так и />-типа.
Теперь, получив представление об энергетических зонах в полупроводниковых
материалах, можно перейти к обсуждению принципов работы полупроводниковых
устройств (например, ДЗПТ и ХЧПТ).
Химически чувствительные полевые транзисторы
387
26.2.2. Структура металл-диэлектрик-полупроводник
Начать знакомство с физикой ДЗПТ лучше всего с транзисторов со структурой
металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Такие транзисторы состоят из
металлического электрода, полупроводника и разделяющего их тонкого
(например, толщиной 100 нм) слоя диэлектрика, такого, как диоксид кремния
(Si02). Будем считать, что этот диэлектрик абсолютно не проводит
электрический ток. Для упрощения обсуждения допустим также, что
транзистор со структурой МДП обладает следующими "идеальными"
характеристиками: 1) работа выхода электронов в металле Фш равна работе
выхода электронов в полупроводнике Фд 2) в диэлектрике отсутствует
результирующий заряд; 3) в диэлектрике нет подвижных заряженных частиц;
4) на границе раздела между полупроводником и диэлектриком нет никаких
особых поверхностных состояний. Анализ структуры МДП включает оценку
распределения заряда и потенциала в зависимости от разности потенциалов
между металлом и полупроводником. Завершив анализ "идеальной" структуры
МДП, легко перейти к анализу аналогичных неидеальных структур.
На рис. 26.3 представлена диаграмма энергетических зон идеальной
структуры МДП в отсутствие разности потенциалов. Допустим, что
полупроводником является кремний с акцепторной примесью, т.е. кремний p-
типа. Обозначим энергетический барьер переноса электронов через
диэлектрик символом ^фв. Как показано на рисунке, в состоянии равновесия
уровни Ферми металла и кремния совпадают, а потенциал и распределение
заряда везде постоянны. Если же к металлу приложить напряжение, а кремний
