Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
член описывает падение напряжения на диэлектрике, а второй-на поверхности
кремния.
Уравнение (26.1) справедливо только в случае идеальных структур МДП,
которые мы и рассматривали выше. Отклонения от идеального поведения
обычно приводят к смещению зон даже в отсутствие разности потенциалов
между металлом и диэлектриком. Ниже такие эффекты рассматриваются
индивидуально; в каждом случае пороговому напряжению будет дано
модифицированное определение. Так, если в силу данного эффекта при
нулевой разности потенциалов энергетические зоны отклоняются вверх, то
состояние сильной инверсии будет достигаться при большем VT.
Если разность Фтз между работами выхода электронов в металле и
полупроводнике не равна нулю, то при нулевой разности потенциалов металл
и полупроводник не будут находиться в состоянии теплового равновесия,
если только электроны не будут двигаться от материала с меньшей работой
выхода к материалу с большей работой выхода. В отличие от идеальной
системы это приведет к отклонению энергетических зон при нулевой разности
потенциалов. Чтобы зоны вновь стали "плоскими", необходимо приложить
разность потенциалов, уравновешивающую разность между работами выхода
двух материалов. Следовательно, пороговое напряжение возрастет на
величину Фт5:
Аналогично учитывают, отличный от нуля заряд диэлектрика. Такой заряд
индуцирует зеркальные заряды как в металле, так и в полупроводнике и
опять-таки приводит к отклонению энергетических зон при нулевой разности
потенциалов. С учетом отличного от нуля заряда диэлектрика пороговое
напряжение равно [3]:
Vj= ~^ + 2фР. *¦"0
(26.1)
VT = Фт5 - ^ + 2фР.
(26.2)
d
(26.3)
о
390
Глава 26
Здесь х-расстояние от границы раздела металл-диэлектрик; р (х)-плотность
заряда как функция х; с?-толщина слоя диэлектрика.
Помимо зарядов, располагающихся по всей толщине диэлектрика, в последнем
имеется слой зарядов вблизи границы раздела, особенно при х = d. Обычно
такой слой рассматривают независимо от распределенного в диэлектрике
заряда и обозначают символом Qss (заряд на единицу поверхности). С учетом
поверхностного заряда пороговое напряжение равно
d
VT = фт5 - ^ ^0 *
^р(х)сИ-^-^ + 2фр. (26.4)
Наконец, необходимо рассмотреть и такие отклонения от идеального
поведения, которые могут быть вызваны нарушением периодичности структуры
решетки кремниевого кристалла на границе раздела кремний-диэлектрик.
Нарушение структуры решетки на границе раздела приводит к почти
непрерывному распределению разрешенных энергетических уровней, называемых
в этом случае "поверхностными состояниями", внутри запрещенной зоны.
Анализ влияния поверхностных состояний сложен и детально рассмотрен в
других работах, например в монографии [4]. К счастью, применяющиеся в
настоящее время при производстве транзисторов со структурой МДП операции
отжига снижают число поверхностных состояний до такого уровня, когда их
влияние становится пренебрежимо малым, по крайней мере в системе кремний
- диоксид кремния. По этой причине мы не будем далее учитывать
поверхностные состояния.
Удобно объединить три члена уравнения для порогового напряжения (26.4),
описывающие отклонения системы от идеального поведения, в один член Ffb,
называемый напряжением, соответствующим плоским энергетическим зонам.
Иными словами, Ирв-это такое напряжение, которое надо приложить к
металлу, чтобы энергетические зоны стали плоскими (т. е. соответствовали
идеальному поведению системы). Отсюда
У-х = Vf в + 2фР - , (26.5)
где
Qss 1
= Ф -
С0 C0J
С0
^p(x)dx. (26.6)
d
Уравнения (26.5) и (26.6) определяют напряжение, которое необходимо
приложить к структуре МДП, чтобы вызвать сильную инверсию. Эти уравнения
важны и в физике ДЗПТ, которые, по сути дела, представляют собой
транзистор со структурой МДП, снабженный устройством для измерения
электропроводности поверхности инверсионного слоя.
26.2.3. Полевой транзистор с диэлектрическим затвором
Представленная на рис. 26.5 схема ДЗПТ очень напоминает схему описанного
в предыдущем разделе конденсатора МДП. Область затвора транзистора
состоит из подложки из кремния р-типа, диэлектрика, обычно Si02, и
металла - затвора; таким образом, мы имеем дело с типичной структурой
МДП. Эта структура усложнена за счет двух дополнительных кремниевых
элементов я-типа, называемых истоковой
Химически чувствительные полевые транзисторы
391
Рис. 26.5. Схема ДЗПТ. 1 -кремниевая подложка п-типа; 2 - диэлектрик; 3-
металлический затвор; 4-исток п-типа; 5-сток п-типа; 6-металлический
контакт со стоком и истоком.
областью, или истоком и стоковой областью, или стоком. Электрическая цепь
создается за счет металлических контактов со стоком и истоком. Сток и
исток позволяют измерять электропроводность инверсионного слоя на
поверхности подложки д-тина. На металл затвора подается напряжение VG. а
на сток VD. Подложка и исток обычно заземлены. При работе измеряют
зависимость силы тока ID, текущего от стока к истоку, от VG и VD.
