Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
Пирсоном ].Л. 20] при измерении поверхностной проводимости. Измерения,
проведенные на очищенной поверхности в сверхвысоком вакууме, показали,
что плотность состояний весьма высока: по
порядку величины она равна плотности атомов на поверхности (Л. 21].
Исторически поверхностные состояния были классифицированы на "быстрые и
"медленные" состояния [Д. Л. 1]. Быстрые состояния обмениваются зарядами
с зоной прозодимости или 'валентной зоной достаточно быстро, при этом
предполагалось, что они лежат близко к границе раздела полупроводник -
изолятор. С другой стороны, медленные состояния расположены на границе
раздела изолятор - воздух, для обмена зарядами необходимы достаточно
большие времена. Одна к} для МДП-диодов с большой толщиной слоя изолятора
будут рас-
х - Поверхностные состояния
? - Фиксированный поверхностный заряд (ы^-Подвижные ионы + -
Ионизированные ловушки
Рис. 15. Основная классификация состояний и зарядов в неидеальном МДП-
диоде.
смат.риваться только состояния, лежащие на границе раздела диэлектрик -
полупроводник. Эти состояния ие обязательно Я'Вляются быстрыми
состояниями, так как при .низких температурах постоянные времени этих
состояний весьма велики [Л. 9, 22].
Условимся считать поверхностные состояния донорными, если они нейтральны
и становятся положительно заряженными .при отдаче электрона. Акцепторные
состояния или нейтральны или заряжены отрицательно при захвате электрона.
Функция распределения для поверхностных состояний аналогична таковой для
примесных уровней объема и обсуждалась выше (гл. 2, § 4):
FSD №t) -
f ^
1 + g exP ^ kT-)
для донор ных состояний и
(32а)
FSA(Et) - j tEt - ef \ (32б>
для акцепторных состояний. Здесь Et - энергия поверхностных состояний; g-
фактор вырождения (?='2 для доноров и g=4 для акцепторов).
'При приложении смещения поверхностные состояния на зонной диаграмме
движутся вверх или вниз вместе с краями валентной зоны и зоны
проводимости, тогда как уровень Ферми не меняется. При пересечении уровня
Ферми поверхностными .состояниями про-
Рис. 16. Эквивалентная схема, учитывающая влияние поверхностных
состояний; Cs и Rs связаны с плотностью поверхностных состояний [JI. 231.
исходит изменение их зарядового состояния. Это изменение заряда дает -
вклад в поверхностную емкость и изменяет идеальные 'характеристики.
Основная эквивалентная схема {Л. 23], .отражающая влияние поверхностных
состояний, показана на рис. 16,а. Здесь С, и Сd - соответственно емкости
изолятора и обедненного слоя полупроводника, совпадающие с приведенными -
на рис. 9; Cs и Rs - ем-
кость и сопротивление, связанные с поверхностными состояниями и зависящие
от поверхностного .потенциала. Произведение CsRs определяется как время
жизни поверхностных состояний, отражающее поведение поверхностных
состояний в зависимости от частоты. Параллельные ветви эквивалентной
.схемы, показанной на рис. 16,а, могут быть преобразованы в частотно-
зависимую емкость Ср и параллельно включенную частотно-зависимую
проводимость Gp, как показано на рис. 116,6, причем
ср = CD + J1 -f и2т2 (33)
Gp Cseyz'
1 + юЧ2 * (34>
где x^CsRs. 'Полная входная проводимость определяется выражением
= G{п ~h/(0Oin, ('35)
где
и2С.тС?
Gtn-{Ci + CD + CsY + соЧ2 (Ct + cDy' (36а)
г_______________ V
Ct+CD + Cs ^
(Cj -f- СD + Cs)2 + wVCD (Cj + Сд)
X [cD + Ce (Ci + cD+Cs)2+(i>W(Ci + CDy l' (366)
2. Метод емкости. Чтобы оценить плотность поверхностных состояний,
можно использовать измерения емкости либо проводимости. В уравнениях
(36а) и (366) как входная проводимость, так и входная емкость содержат
одинаковую информацию о поверхностных состояниях. Можно показать, что
техника измерения проводимости дает более точные результаты, особенно для
МД'П-диодов с относительно низкой плотностью поверхностных состояний
(около 1010 состояний/см? ¦ эв). Оценка плотности поверхностных состояний
на основе емкостного метода может быть проведена, например, при
использовании дифференциального, интегрального и температурного методов.
А. Дифференциальный метод. Этот метод был впервые применен Терманом
(Л. 5]. Сначала измеряется емкость на высоких частотах (шт"'1), так что
уравнение (366) приводится к уравнению (25), которое описывает емкость,
не связанную с поверхностными состояниями. Эта часть высокочастотной
характеристики показана на рис. 17 (пунктирная линия) для полупроводников
п-и р-типа. Влияние поверхностных состояний на напряжение приводит к
смещению идеальных МДП-кривых вдоль оси напряжений. Это происходит
вследствие того, что при наличии поверхностных состояний электрическое
поле в окисле становится выше, чем поле на поверхности полупроводника,
при этом необходимо приложить
больший заряд к металлу для того, чтобы получить заданное поле на
поверхности полупроводника. Сравнивая кривую иа рис. 17 с идеальной
МДГЕкривой, можно определить зависимость смещения MJ от U. Полный заряд
поверхностных состояний Qss для
Рис. 17. Высокочастотные и низкочастотные вольт-фа-радные характеристики
