Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
следующей главе мы рассмотрим еще одного представителя этого семейства -
тонкопленочный полевой транзистор, предложенный .Веймером 1[Л. 11] в 1961
г. Хотя все перечисленные полевые транзисторы весьма похожи по своим
характеристикам и механизму работы, они не равноценны. Наиболее важен из
них рассматриваемый в настоящей главе МДП-транзистор благодаря применению
его в линейных и цифровых цепях [Л. 9]. Хотя в настоящее время уже
известны МДП-транзисторы на различных полупроводниковых материалах, в том
числе на Ge [Л. 12], Si [Л. 13], GaAs |[Л. 14], и в них использованы
различные изоляторы, такие, как Si02, S13N4 и AI2O3, наиболее важной
системой является комбинация Si-Si02. Поэтому большинство
экспериментальных данных в этой главе приведено для системы Si-Si02.
В § 2 настоящей главы мы рассмотрим МДП-прибор в неравновесных условиях,
что послужит основой для понимания механизма его работы. Проводимость
канала и- основные характеристики прибора рассматриваются в § 3 и 4
соответственно. Общие характеристики прибора, такие, как влияние внешнйх
воздействий и фи-' зические ограничения, обсуждаются в § 5. В § 6
рассматривается МДП-транзистор с барьером Шоттки на стоке и истоке. При
комнатной температуре характеристики прибора сравнимы с обычным МДП-
транзистором с аналогичной геометрией электродов. При низких температурах
протекание тока связано с туннелированием носителей из металла через
барьер Шоттки к полупроводниковому инверсионному слою. Интересному
запоминающему устройству, полученному добавлением плавающего затвора к
обычному МДП-транзистору, шосвящен § 7. В заключение в § 8
рассматриваются влияние поверхностного полевого эффекта на пробой и
обратный ток р-п перехода.
2. Область поверхностного объемного заряда в неравновесных условиях
Основная структура полевого транзистора с изолированным затвором (МДП-
транзистор) представлена на рис. 1. Этот прибор состоит из
полупроводниковой подложки p-типа, в которой созданы (диффузией или
ионной имплантацией) две области ге+-типа: сток и "сток. Металлический
контакт на изоляторе между стоком и истоком называется электродом
затвора. Когда на затворе отсутствует напряжение, электроды сток-исток
есть два р-п перехода, включенных навстречу друг другу. Ток, который
может течь в этом случае от истока к стоку, - обратный ток р-п перехода
или ток насыщения. Когда к затвору приложено достаточно большое
положительное напряжение, то под ним в полупроводнике образуется
инверсионный слой re-типа, и и+-области (сток и исток) оказываются
соединенными поверхностным каналом, через который может
течь большой ток. Проводимость канала модулируется изменением напряжения
на затворе. Это рассуждение можно легко распространить на ус-канальный
прибор, поменяв на рис. 1 местами р- и "-области и подав напряжение
другой полярности. Важными параметрами МДП-транзистора являются длина
канала L, ширина канала Z, толщина изолятора d с диэлектрической
постоянной е, и проводимость канала [JI 4J.
Прежде чем приступить к расчету проводимости канала, нам необходимо
рассмотреть МДП-структуру в неравновесных условиях,
когда напряжение приложе-
Рис. 1. Разрез структуры полево- Рис. 2. Полевой транзистор по-
го транзистора с изолированным вернут на 90° (а); часть по-
затвором. верхности. ограниченная пунк-
1 - канал; 2 - исток; 3 - затвор: 4- тиром (б), металлический электрод; 5
- изолятор,
6 - сток; 7 - р-тип,
неосновных носителей в подложке (электроны в данном случае) понижен по
отношению к равновесному уровню Ферми. И чтобы наглядно показать изгиб
зон п+-р перехода в неравновесных условиях, повернем МДП-транзистор,
изображенный на рис. 1, на 90°,
как это изображено на рис. 2,а, и выделим в нем элемент струк-
туры (рис. 2,6), ограниченный на рис. 2,я штриховой рамкой. Выделенный
элемент - это часть р-п+ перехода подложка - сток, непосредственно
примыкающая к границе раздела полупроводник - изолятор под металлическим
электродом затвора. На рис. 3 приведены идеализированная картина р-п+
перехода и диаграммы его энергетических зон в плоскости XY в условиях
воздействия на выделенный элемент напряжения стока и,d и поверхностного
поля,
созданного напряжением на затворе UG¦ На рис. 3,а показан случай
отсутствия напряжения на затворе. Изменение профиля энергетической
диаграммы происходит только в направлении У и обусловлено напряжением,
приложенным к стоку в запирающем направлении. На рис. 3,6 к затвору
приложено небольшое положительное напряжение, однако недостаточное для
того чтобы инвертировать
Рис. 3. Идеализированный переход и диаграммы энергетических зон при
неравновесных условиях [Л. 15]. а - поверхностное поле отсутствует; б -
обеднение; в - инверсия.
поверхность p-области. В данном случае, т. е. при наличии запирающего
напряжения на р-п переходе, для создания инверсии необходимо напряжение
затвора, большее, чем величина
Ws(inv) ж2Чгв,
достаточная для инверсии в случае нулевого смещения на переходе. Это
