Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
функция полного поверхностного заряда; е - сравнение экспериментальных
подвижностей в канале с теоретическими кривыми [Л. 16].
Экспериментальные эффективные подвижности электронов и дырок в
инверсионных слоях на окисленном кремнии показаны на рис. 5,а и б как
функции полного заряда, индуцированного в полупроводнике {Л. 16] на
единице (площади. Видно, что приблизительно ДО |Qs/<7| = 1012 смгг
(соответственно <gs = Qs/es^ 105 в/см) подвижность практически не зависит
от величины индуцированного заряда (fXconst)• Далее подвижность
уменьшается с ростом поля. Величины подвижности в инверсионном слое
приблизительно
в 2 раза ниже, чем в объеме полупроводника. Это происходит благодаря
эффекту поверхностного рассеяния и эффекту перераспределения примесей во
время термического окисления, которое приводит к изменению концентрации
примеси вблизи границы раздела Si02-Si по сравнению с объемом.
Эффект поверхностного рассеяния был впервые рассмотрен
Шриффером i[JI. 17], а затем Франклом 1[Л. 18]. Для постоянного
поля на поверхности
= 1 - ехр (a2) erfc (а), (17)
rbulh
где
1 1 |/~2?Г~ #
а~ <?S Rmift У т*
С увеличением поверхностного поля <§Е величины а и
будут уменьшаться. Рисунок 5,е дает сравнение подвижности,
полу-
ченной в инверсионных слоях экспериментально с теоретическими кривыми,
рассчитанными из уравнения (17), если использовать экспериментальную
величину Pconst (см. рис. 5) как объемную подвижность Hbuik¦ Результат
показывает, что носители зеркально отражаются от поверхности. Процесс
диффузионного поверхностного рассеяния оказывает существенное влияние
только при больших поверхностных полях: наиболее важным эффектом в
системе Si-Si02 является перераспределение примесей.
Зависимость эффективной подвижности от температуры 1[Л. 16] показана на
рис. 6. Как электронная, так и дырочная подвижности г инверсионных слоях
при высоких температурах пропорциональны Г~3/2. Такой характер
температурной зависимости подвижности указывает на механизм рассеяния,
подобный рассеянию на колебаниях решетки.
4. Основные характеристики прибора
Рассмотрим сначала качественную картину работы прибора. Пусть напряжение,
приложенное к затвору, вызвало инверсию на поверхности полупроводника
'(рис. 7,а). Если к стоку приложено небольшое напряжение, то ток от
истока к стоку будет течь через проводящий канал. В этом случае канал
действует как сопротивление н ток стока Id пропорционален напряжению на
стоке Ud.
емг/(в-сек)
-Ml \\ Наклон~Т %
в ¦ ел - Электра од-Дырки чы
1 1 1 1 1 I.U. Л 1 1 _L 1 1 1±1
10 10г °К
Рис. 6. Зависимость эффектив-
ной подвижности от температуры [Л. 16].
Рис. 7. Разрез структуры МДП-транзистора, находящегося в рабочем режиме.
а - МДП-транзистор работает в линейной области (низкое напряжение на
стоке); б - МДП-транзистор работает в начале области насыщения, точка У -
точка отсечки; в - МДП-транзистор работает внутри области насыщения "и
эффективная длина канала уменьшена до L'.
Это линейная область работы прибора. Если напряжение на стоке
увеличивать, то в конце концов достигается его значение, при котором
глубина канала Xi при y=L (вблизи стока) становится равной нулю (рис.
7,6). Это - отсечка канала. За точкой отсечки ток стока испытывает
насыщение, т. е. практически не меняет своей величины с ростом напряжения
стока. Это связано с тем, что при UD>Urisat область обеднения вблизи
стока увеличивается и точка, 'обозначенная У (рис. 7), двигается к
истоку.
При этом напряжение в точке У остается одно и то же, а именно Unsat. Но
это значит, что число носителей, пришедших к точке У из стока, и,
следовательно, ток от истока к стоку будут оставаться постоянными.
Инжекция -носителей из точки У в область обеднения стока подобна инжекции
носителей в биполярном транзисторе из перехода эмиттер-база в область
обеднения перехода база - коллектор.
Теперь мы перейдем к выводу уравнений для основных характеристик МДП-
транзистора. Примем следующие допущения:
1) структура затвора МДП соответствует идеальному МДП-диоду, описанному в
гл. 9, т. е. не учитываются поверхностные состояния, поверхностный заряд,
разность величин работ выхода и т. д.;
2) подвижность носителей в инверсионном слое постоянна;
3) обратный ток пренебрежимо мал;
4) учитывается только дрейфовый ток1;
б) поперечное поле (<§* в направлении х) в канале значительно больше, чем
продольное поле (<§ ?J в направлении у). Последнее условие соответствует
так называемому приближению плавно меняющегося канала. При принятых
допущениях полный заряд,
Истон
NT Uj> (Мола)
il Л + (tm)+ д
N --' ^Канал ~\^
Р Обедненная область
Линейная область а) Wcl^U,
D~Upsat
Отсечка' '----------------\
Р Обедненная область
Начало насыщения
(( л+ Ik- /ч ч V С " j ;
Обедненная j v область
Внутри области насыщения 6)
1 Не учитывается диффузионная компонента тока. (Прим. ред.)
индуцированный в полупроводнике на единицу площади s на расстоянии у от
истока, описывается выражением
