Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
характеристики МДП-структур анализировали Франкл [3] и Линднер [4]. Для
изучения термически окисленной поверхности кремния МОП-структуры были
впервые использованы Терманом [5], Леховеком и Слободским [6].
Обстоятельное и глубокое изложение принципов физики Si-Si02-структур
можно найти в книге Никколиана и Брюса [7].
Принцип зарядовой связи был сформулирован Бойлом и Смитом [8] в 1970 г.
Первый прибор с зарядовой связью (ПЗС) сконструировали Амелио, Томпсет и
Смит [9]. В наиболее простом виде прибор с зарядовой связью можно
рассматривать как матрицу близко расположенных МДП-конденсаторов. При
соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на
электродах МДП-конденсаторов в ПЗС могут контролируемым образом
перемещаться вдоль поверхности полупроводника так называемые зарядовые
пакеты. Используя этот принцип, с помощью ПЗС можно осуществить целый ряд
функций: прием изображений, хранение данных, обработку сигналов,
логические операции. Обстоятельное изложение физических принципов и
механизмов работы ПЗС содержится в монографиях Секена и Томпсета [10] и
Кима [11]. Важнейшие оригинальные статьи по ПЗС можно найти в журнале
ТИИЭР [12].
т
Глава 7
7.2. ИДЕАЛЬНАЯ МДП-СТРУКТУРА
Схематически МДП-структура приведена на рис. 1, где d - толщина слоя
диэлектрика, a V - напряжение, приложенное к металлическому полевому
электроду. Ниже мы будем считать напряжение положительным, если
металлический электрод структуры смещен положительно относительно
омического контакта к подложке, и отрицательным в противоположном случае.
Зонные диаграммы идеальных МДП-структур при V = О приведены на рис. 2.
Понятие "идеальная МДП-структура" определим следующим образом:
1. Работы выхода электронов из металла и полупроводника одинаковы, или
разность работ выхода металла и полупроводника <pms равна нулю:
Здесь фт - работа выхода металла, % - сродство к электрону
полупроводника, Eg - ширина запрещенной зоны, - разность между уровнем
Ферми EF и положением уровня Ферми в собственном полупроводнике Et.
Условия (1) означают, что в отсутствие внешнего напряжения V = 0
энергетические зоны полупроводника не изогнуты (состояние плоских зон).
2. При любых смещениях в структуре могут существовать только заряд в
ее полупроводниковой части и равный ему заряд противоположного знака на
металлическом электроде, отделенном от полупроводника слоем диэлектрика.
3. При постоянном напряжении смещения отсутствует перенос носителей
тока сквозь диэлектрик, т. е. сопротивление диэлектрика предполагается
бесконечным.
Теория идеальной МДП-структуры, рассматриваемая в этом разделе, служит
основой для понимания и исследования свойств реальных МДП-структур и
поверхности полупроводников.
Фшя = Фтп - (% + -Щ- Фв) = О ДЛЯ п-типа,
(1а)
(16)
V
о
Металл
IT
Омический
контакт
Рис. 1. Структура металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-структура).
МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью
379
Рис. 2. Зонные диаграммы идеальных МДП-структур при V - = 0.
а - полупроводник п-типа; 6 - полупроводник р-типа.
$xi
^ Уровень вакуума
Металл
d
V=0
Et
Ф
'9/2
~ц-
I п
У77777Т7777777777 Е
---------Ес
---------Ег
Е[
к
Г
</?т Я?В Erzh~^
Металл
Диэлектрик а
| Уровень вакуума $
Полупрододник
Диэ-
лек-
трик
&
Iх V-0
--------С с
A9s-----Е
L-------
7777777777777777 Еу Полупроводник
Когда к идеальной МДП-структуре приложено напряжение того или другого
знака, на полупроводниковой поверхности могут возникнуть три основные
ситуации (рис. 3). Рассмотрим их сначала для МДП-структуры с
полупроводником p-типа. Если к металлическому электроду структуры
приложено отрицательное напряжение (V < 0), край валентной зоны у границы
с диэлектриком изгибается вверх и приближается к уровню Ферми (рис. 3,
а). Поскольку в идеальной МДП-структуре сквозной ток равен нулю, уровень
Ферми в полупроводнике остается постоянным. Так как концентрация дырок
экспоненциально зависит от разности энергий (Ef - Ev), такой изгиб зон
приводит к увеличению числа основных носителей (дырок) у поверхности
полупроводника. Этот режим называется режимом обогащения (аккумуляции).
Если к МДП-структуре приложено не слишком большое положительное
напряжение (V > 0), зоны изгибаются в обратном направлении и
приповерхностная область полупроводника обедняется основными носителями
(рис. 3, б). Этот режим называют режимом обеднения
380
Глава 7
p-тип
К
п-тип
у<0
У*0
/I
& +•
Ес
Ei Ef т
v*o
Еу
У>0\
Ef tf//л
- Et
а
Е? ^ Ег
+ + + Ei
у
Ес
Ef
?l
Ev
=ь
--------------------------------Ei
+¦ + t Ey
Рис. 3. Зонные диаграммы идеальной МДП-структуры при V Ф О а - режим
аккумуляции; б - режим обеднения; в режим инверсии.
или истощения поверхности. При ббльших положительных напряжениях зоны
изгибаются вниз настолько сильно, что вблизи поверхности происходит
пересечение уровня Ферми EF с собственным уровнем Et. В этом случае (рис.
3, в) концентрация неосновных носителей (электронов) у поверхности
