Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
составляющие которой теперь вычисляются по формулам (34) и (35). Активная
составляющая этой проводимости определяется только параметрами Cs и Rs,
которые описывают поверхностные состояния, и не зависит от емкости
полупроводника CD. Таким путем определяют
МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью
401
К В
Рис. 18. Результаты измерений емкости и проводимости МДП-структуры при
двух частотах [26].
частотную зависимость GPIсо при фиксированных значениях напряжения
смещения на структуре. График Gp (со)/ю проходит через максимум при ю =
т-1, что позволяет непосредственно определить характерное время
перезарядки поверхностных ловушек. Значение Gp/со в максимуме равно CJ2.
Таким образом, метод проводимости позволяет определить величину т и
емкость поверхностных состояний Cs. Плотность поверхностных состояний Dit
- CJqA, где А - площадь металлического полевого электрода структуры.
Типичные зависимости Dit для Si-БЮ2-структур [27] приведены на рис. 19.
Вблизи середины запрещенной зоны Dit изменяется относительно слабо, но
затем резко нарастает по мере приближения к краям разрешенных зон.
Отметим существенную зависимость плотности поверхностных состояний от
ориентации полупроводниковой подложки МОП-структуры. В структурах с
ориентацией подложки (100) плотность поверхностных состояний оказывается
примерно на порядок меньше, чем в структурах с ориентацией (111). Этот
факт коррелирует с числом свободных связей на соответствующих атомных
плоскостях кремния [28, 29]. В табл. 1 приведены параметры атомных
плоскостей (111), (ПО) и (100)
402
Глава 7
Энергия, эВ
Рис. 19. Плотность поверхностных состояний в термически окисленном
кремнии [27].
монокристаллического кремния. Отметим, что поверхность (111)
характеризуется наибольшим числом свободных связей на квадратный
сантиметр, а поверхность (100) - наименьшим. Можно ожидать, что скорость
окисления поверхности (100) также будет наименьшей. Если предположить,
что за поверхностные состояния
Таблица 1. Свойства кристаллографических плоскостей
кремния
Ориентация Площадь элементарной ячейки Число атомов на площади
элементарной ячейки Число свободных связей на площади элементарной
ячейки Поверхностная плотность атомов, 1014 см-2 Поверхностная
плотность свободных связей, 101* см-*
(111) V За2/2 2 3 7,85 11,8
(110) V 2а2 4 4 9,6 9,6
<100) а2 2 2 6,8 6,8
МДП-структуры. Приборы с зарядовой связью
403
Верхняя полобина запрещенной зоны п-типа 1ПП>
-16 -12 -S -4- 0_ 4 8 1Z 16
Я(Фв~ (/>s)/kT
Рис. 20. Зависимость постоянной времени перезарядки от поверхностного
потенциала [26].
ответственны избыточные атомы кремния в окисле, то становится понятной
ориентационная зависимость плотности состояний (рис. 19), поскольку при
меньшей скорости окисления в Si02 возникает меньше избыточных атомов
кремния. Так или иначе, но все современные кремниевые МОП-транзисторы
изготавливаются только на подложках с ориентацией (100) (гл. 8).
На рис. 20 приведены результаты определения постоянной времени
перезарядки т при некоторых значениях поверхностного потенциала в МОП-
структурах, полученных влажным окислением кремниевых подложек с
ориентацией (100). Здесь ^ ¦- потенциал, соответствующий равенству
собственного уровня и энергии Ферми, a 4>s - средний поверхностный
потенциал (смысл этого термина пояснен ниже). Эти результаты можно
аппроксимировать экспоненциальными зависимостями, подобными тем, которые
описывают генерационно-рекомбинационные процессы на объемных ловушках
(гл. 1):
1
VOptli
1
УСцП}
ехр
ехр
<](% - Фз) kT
Ч%~%)
kT
для р-типа,
для /г-типа.
(43)
404
Глава 7
Здесь ор и оп - сечения захвата дырок и электронов соответственно, a v -
средняя тепловая скорость. Из приведенных на рис. 20 экспериментальных
результатов следует, что сечения захвата носителей тока на поверхностные
состояния не зависят от энергии. В работе [26] получены абсолютные
значения сечений захвата ар = 4,3-10"16 см2 и оп = 8,1 - 10_1в см2. При
этом были использованы следующие значения параметров: v 107 см с'1 и fit
= 1,6-1010 см"3. МОП-структуры на кремнии с ориентацией (111)
характеризуются такой же экспоненциальной зависимостью времени
перезарядки поверхностных состояний от поверхностного потенциала. Сечения
захвата в этих структурах составляют ор = 2,2-10-16 см2 и оп - 5,9-10-16
см2.
Из результатов, приведенных на рис. 19, следует, что спектр поверхностных
состояний в системе Si - Si02 состоит из большого числа энергетических
уровней, расположенных так близко друг к другу, что спектр можно считать
непрерывным во всей запрещенной зоне. Следовательно, необходимо
модифицировать эквивалентную электрическую схему, приведенную на рис. 16,
соответствующую моноэнергетическому поверхностному состоянию. Кроме того,
необходимо учесть статистические флюктуации поверхностного потенциала,
обусловленные пространственной неоднородностью распределения
поверхностных зарядов (фиксированного заряда в диэлектрике Qf и
