Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
смещения). Эта зависимость непосредственно связана с режимами работы
приборов с зарядовой связью (ПЗС), которые рассмотрены в разд. 7.4. В
области сравнительно высоких напряжений кривая (в) становится пологой в
результате лавинного пробоя приповерхностной области полупроводника МДП-
структуры. Более подробно влияние ударной ионизации на характеристики
МДП-структур рассмотрено ниже.
На кривых, приведенных на рис. 7, указаны также характерные значения
поверхностного потенциала. Как уже говорилось, в идеальной МДП-структуре
состояние плоских зон ^ = О осуществляется при нулевом напряжении (У =
0). Режиму обеднения соответствуют поверхностные потенциалы от ^ - 0 до
фя = a|)B. Величина оказывается несколько меньше значения Vmm. При
поверхностном потенциале % = 2г|)в начинается сильная инверсия. Режиму
слабой инверсии соответствуют поверхностные потенциалы \J)B < ^
Форму высокочастотной С-У-кривой идеальной МДП-структуры можно рассчитать
так, как и вольт-фарадную зависимость резкого асимметричного р-я-перехода
[17, 70]. В режиме обеднения заряд, приходящийся на единицу площади
границы раздела, равен -qNAW, где NA - концентрация ионизированных
акцепторов, a W - глубина обедненного слоя. Интегрирование
соответствующего уравнения Пуассона дает следующее распределение
потенциала в обедненном слое:
причем поверхностный потенциал
С увеличением приложенного напряжения я|)8 и W растут, пока не наступает
сильная инверсия (inv) ^ 2tyB) (рис. 5), во время которой рост 'фз и W
резко замедляется. В режиме сильной инверсии небольшое увеличение
поверхностного потенциала А'ф*, вызывает существенное увеличение
плотности заряда инверсионного слоя, который экранирует объем
полупроводника от проникновения электрического поля с электрода
структуры. Можно считать, что в режиме сильной инверсии достигается
максимальная толщина обедненного слоя, равная, согласно формулам (19) и
(27а),
(27)
qNa
2ssibs (inv)
4гкТ In (NA/n.) q*NA
(28)
MJXtl-структуры. Приборы с зарядовой связью
389
10
1,0
I
il 0,1
0,01
! 7 7 111111 Т=300К
-
-
ИМ II 1, 1 , 1-1-L. 1 1 111. 1-1. 1 I 1 UU. .1 1 1 1 пи
10
п
10
15
10
16
10
17
10
18
Nq , см
-j
Рис. 8. Зависимость максимальной ширины обедненного слоя от концентрации
примеси в Ge, Si и GaAs при сильной инверсии.
Зависимости Wm от концентрации легирующей примеси, рассчитанные для Ge,
Si и GaAs при комнатной температуре, приведены на рис. 8. Здесь NB равно
либо NA, либо ND в зависимости от типа проводимости полупроводника.
Важной величиной является так называемое напряжение включения (пороговое
напряжение) W" при котором начинается сильная инверсия. Используя формулы
(19) и (23), находим
VT = А + 24>в, (29)
где Qs = qNAWm. Отсюда с помощью выражения (22) получим окончательно
Vr ~ Т/2е^ + 2фа. (29а)
Соответствующее Vt значение дифференциальной емкости идеальной МДП-
структуры
_____________Ч .. .. _
'мин" d + (8i/es)Wm
(30)
Высокочастотная вольт-фарадная характеристика идеальной МДП-структуры
[16] приведена на рис. 9. При 0 < V < Vt ее можно аппроксимировать
зависимостью, полученной в приближении обедненного слоя (штриховая
линия), а при V < 0 и V >
390
Глава i
К в
Рис. 9. Высокочастотная вольт-фарадная зависимость МДП-структуры и ее
аппроксимация (штриховые линии). На вставке приведены С- У-кривые при
разных частотах тестирующего напряжения [16].
> VT - постоянными значениями С* и СмИН соответственно. На вставке к рис.
9 приведены экспериментальные С-К-кривые кремниевых МОП-конденсаторов,
снятые при разных частотах.
Рис. 10. С- V-кривые идеальных МДП-структур. Сплошными линиями показаны
низкочастотные характеристики, а штриховыми - высокочастотные [18].
МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью 391
1,0 L7
0,Ш
о,до
0,70 0,60 tQ 0,50 ^0 ъ^0,30
о,го 0,10 о
-0,10
-0,20
-г,о -1,о о 1,о г,о з,о у.; в
Рис. Н. Зависимость поверхностного потенциала от приложенного напряжения
в идеальных МДП-етруктурах [18].
Отметим, что низкочастотный характер С-^-зависимости, как уже говорилось
выше, начинает проявляться при / < 100 Гц.
Серия вольт-фарадных характеристик идеальных МДП-структур (металл - Si02-
Si) с различными значениями толщины слоя окисла и степени легирования
полупроводника рассчитана в ра-
Толщина слоя окисла, А
Рис. 12. Зависимость емкости плоских зон от толщины слоя окисла для
идеаль* ных МДП-структур. Параметр кривых - уровень легирования кремния
(18],
392
Глава 7
а
Толщина слоя окисла, <4
6
Рис. 13. Зависимость нормированной минимальной низкочастотной (а) и
высокочастотной (б) емкости от толщины слоя окисла для идеальных МДП-
структур, Параметр кривых - уровень легирования кремния [18],
МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью 393
7 6 S
4 § 3 ^ 3 * 2 1
О
wo гоо 300400 бос woo 2000 зооо jooo 10000
Толщина слоя окисла, И
Рис. 14. Зависимости порогового напряжения Vt и напряжения Гмин"
соответствующего минимальной низкочастотной емкости Смин, от толщины слоя
