Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
Сильная инверсия наступает при поверхностном потенциале
(inv) ^ 2\|зв = In , (19)
когда поверхностная концентрация неосновных носителей (электронов)
становится равной исходной концентрации основных носителей рр0.
По определению полная дифференциальная емкость полупроводника
Сд = -is- ^ g P-^r(n?o/T°^-T-^S ~ 1" [Ф/см2]. (20)
ftps 2 Ld Р (№• Про/Рро)
В состоянии плоских зон, т. е. при 'фз = 0, CD можно легко определить,
разложив в ряд соответствующие экспоненты, что дает
CD (Ч>, = 0) = bs/Ld [Ф/см*]. (21)
МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью
385
7.2.2. Характеристики идеальной МДП-структуры
На рис. 6, а приведена зонная диаграмма идеальной МДП-структуры с тем же,
что и на рис. 4, характером изгиба зон. На рис. 6, б приведено
распределение заряда в структуре. Ясно, что для обеспечения
электронейтральности структуры -заряд на ее
Металл Диэлектрик Полупроводник
Qm
Г Нейтральная J область
Область \ обеднения Область инверсии
/(х}
О W
¦а
п
Q,
в
1 ё (х.)
-d
О
W
Рис. 6. Зонная диаграмма идеальной МДП-структуры (а) и распределения
зарядов (в условиях инверсии) (б), электрического поля (е) и потенциала
(г).
386
Глава 7
металлическом электроде QM должен быть равен сумме электронного заряда в
инверсионном слое Qn и заряда ионизированных акцепторов в области
обеднения полупроводника:
Qm = Qn qN= Qs. (22)
Все заряды здесь отнесены к единице площади границы раздела, W - толщина
обедненного слоя, Qs - полная поверхностная плотность заряда в
полупроводнике. На рис. 6, в и г показаны распределения электрического
поля и потенциала в структуре, которые соответствуют первому и второму
интегралам уравнения Пуассона.
Ясно, что в отсутствие разности работ выхода приложенное напряжение
делится между полупроводником и изолятором, т. е.
V=V{ + (23)
где Vt - падение напряжения на слое диэлектрика, равное (см. рис. 6, в)
Vt = =-ША ( = -Ш.) . (24)
Полная емкость структуры
С = -g^-g ' [Ф/см21, (25)
что соответствует последовательному соединению емкости полупроводника CD
и емкости слоя диэлектрика Сг = et/d. Последняя определяется толщиной
диэлектрика и представляет собой максимально возможную емкость всей
структуры. Емкость полупроводника изменяется при изменении напряжения на
структуре (уравнение (20)). Используя формулы (20), (23)-(25), можно
определить зависимость полной емкости идеальной МДП-структуры (рис. 7,
кривая (а)) от приложенного напряжения. Особый интерес представляет
значение полной емкости структуры в состоянии плоских
зон, т. е. при "ф, = 0. Для этой величины из выражений (21)
и (25) получим
Cfb (ф" - 0) - d + (gj/Ps) 1D - d + VkTe,!ppoq* * ^
где ег и вЛ - диэлектрические проницаемости изолятора и полупроводника
соответственно, a LD - дебаевская длина дырок (см. выражение (13)).
Зависимость емкости идеальной МДП-структуры от напряжения при
отрицательных значениях последнего отвечает аккумуляции дырок у границы
раздела. В этом режиме дифференциальная емкость полупроводника (выражение
(20)) существенно больше емкости диэлектрика, поэтому полная емкость
структуры близка
МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью 387
к величине Сг. Когда напряжение, приложенное к МДП-струк-туре, становится
больше 0, в приповерхностном слое полупроводника образуется обедненная
область, которая действует как добавочный слой диэлектрика. Это приводит
к уменьшению полной емкости МДП-структуры. Затем, проходя через минимум,
обозначенный на рис. 7 символами Смин и УМин" полная дифференциальная
емкость структуры резко возрастает, снова приближаясь к величине Сг.
Последнее обусловлено тем, что в данной области напряжений у границы
раздела с диэлектриком образуется электронный инверсионный слой,
дифференциальная емкость которого также значительно превышает емкость
диэлектрика. Отметим, что нарастание емкости в области положительных
смещений зависит от того, успевает ли концентрация инверсионных
электронов следовать за изменениями приложенного к структуре переменного
напряжения, с помощью которого осуществляется измерение емкости. Данный
режим осуществляется лишь при сравнительно малых частотах, когда скорость
генерационно-рекомбинационных процессов, ответственных за изменение
концентрации неосновных носителей (в нашем случае электронов),
достаточна, чтобы электронная плотность изменялась в фазе с напряжением
измерительного сигнала. Экспериментально установлено, что для структур
металл - Si02-Si соответствующая частотная граница лежит в диапазоне 5-
100 Гц [15, 16]. При более высоких частотах увеличения дифференциальной
емкости структуры при положительных
Рис. 7. Вольт-фарадные кривые идеальной МДП-структуры [16].
(а) - в области низких частот; (б) - в области высоких частот; (в) - в
режиме глубо кого обеднения.
388
Глава 7
напряжениях не наблюдается (кривая (б) на рис. 7). Кривая (в) на этом
рисунке соответствует вольт-фарадной характеристике идеальной МДП-
структуры в условиях глубокого обеднения (импульсное напряжение
