что представляет собой эффект поля

Эффект поля

Поверхностные явления.

Кри­сталлы современных Полупроводниковые приборов и интегральных микросхем характеризуются очень малыми размерами областей от поверхности кристалла (единицы и доли мкм), в которых происходит преобразование электрических сигналов.

Физические процессы на поверхности полупроводника в большой степени определяют электрические характери­стики и параметры полупроводниковых приборов и интег­ральных микросхем.

В полевых транзисторах, важней­шие физические процессы, определяющие их принцип дей­ствия, протекают непосредст­венно в приповерхностном слое.

Рассмотрим следующие физические процессы:

Поверхностный заряд.

Явления, способствующие возникновению поверхностного заряда.

Структура поверхности полупро­водников характеризуется большим числом различных де­фектов. Атомы полупроводника на поверхности имеют свободные химиче­ски активные валентные связи и при воздействии атмосфе­ры вступают в реакцию с кислородом и парами воды, обра­зуя различные оксиды и гидраты.

Сама грани­ца раздела является нарушением пространственной перио­дичности кристаллической решетки, т. е. представляет собой дефект.

В результате на зонной диаграмме для приповерхностного слоя п/п появля­ются энергетические уровни, расположенные в запрещен­ной зоне.

Состояния, соответствующие этим уровням, пред­ставляют собой так называемые поверхностные ловушки.

Захватывая под­вижные носители, они могут превращаться в положительные или отрицательные ионы, образуя поверхностный заряд.

В п/п прибо­рах на их поверхность наносятся тонкие диэлектрические пленки, производится специальная терми­ческая обработка с целью улучшения и стабилизации па­раметров приборов, а также защиты поверхности.

Напри­мер, в кремниевых и некоторых арсенид-галлиевых планарных приборах и интегральных микросхемах поверхность покрыта слоем оксида (Si0₂) толщиной в десятые доли микрона.

В пленке SiO₂ вблизи границы раздела с крем­нием возникает тонкий переходный слой, содержащий боль­шое число дефектов типа кислородных вакансий (недоста­ток одного атома кислорода в молекуле SiO₂), в котором образуется положительный заряд ионов Si+.

Это приводит к тому, что для кремния, покрытого оксидом SiO₂, помимо заряда ловушек существует постоянный поверхностный заряд.

Эффект поля

Эффектом поляназывается изменение концентрации свободных носителей в приповерхностном слое полупроводника (и, следовательно, его удельного сопротивления) под действием внешнего электрического поля, направленногонормально к поверхности.

В зависимости от направления по­ля и его напряженности различают три режима приповерхностного слоя:

— обеднения;

— инверсии;

— обогащения.

Рассмот­рим эффект поля на примере полупроводника р-типа с по­стоянной концентрацией акцепторов.

На рис. 10.1а. – 10.1в. показаны напряженность поля и концентрация носителей заряда в приповерхностном слое.

Рис. 10.1 Концентрация носителей заряда в приповерхностном слое.

Предположим, что поверхностный заряд равен нулю.

Если полупроводник поместить во внешнее электрическое поле, то оно вызовет смещение свободных носителей в приповерх­ностном слое.

Появится нескомпенсированный объ­емный заряд, экранирующий остальную часть полупроводника от внешнего поля.

В стационарном режиме ток через полупроводник не течет, так как отсутствует замкнутая проводящая электрическая цепь.

Режим обедненияпоясняет рис.10.1а.

Под действием по­ля, направление которого показано на рис, дырки (основные носители) смещаются от поверхности вглубь полупроводника, так что их концентрация у поверхности уменьшается.

Концентрация электронов у поверхности возрастает за счет их дрейфа к поверхности под действием электричес­кого поля.

Электроны (неосновные носи­тели) притягиваются к поверхности, но их концентрация здесь остается очень малой.

Режим обеднения наблюдается при небольшой напряжен­ности внешнего поля, когда n_пов

Режим инверсии(рис10.1б)

При большой напряженности внешнего электрического поля наблюдается режим инверсии.

Режим инверсиитакое состояние приповерхностного слоя полу­проводника, в котором поверхностная концентрация элек­тронов (неосновных носителей) превышает концентрацию акцепторов.

Тонкий хорошо проводящий слой n-типа (рис.10.1б) с высокой концентрацией электронов называют инверсным, так какего тип проводимости противоположен типу проводимости подложки.

Распределения концентра­ций электронов и дырок показаны на рис. 10.1б.

Возникший проводящий слой n-типа экранирует полупроводник от внешнего поля.

Режим обогащения(рис10.1в)

При изменении направления внешнего электрического поля возникает режим обогащения, так как дырки притя­гиваются к поверхности и образуют обогащенный слой,где их концентрация выше концентрации акцепторов.

Обога­щенный слой характеризуется повышенной проводимостью, он также экранирует полупроводник от внешнего поля.

Источник

Эффект поля

Из Википедии — свободной энциклопедии

В качестве способов регистрации изменений электрофизических параметров под действием электрического поля могут быть использованы измерение проводимости, дифференциальной ёмкости — метод вольт-фарадных характеристик, поверхностной фото-ЭДС. Чаще всего под эффектом поля понимают изменение проводимости твёрдого тела под действием на него поперечного электрического поля.

В полупроводниковой технике под эффектом поля понимается влияние внешнего электрического поля на электропроводность полупроводника. В общем случае рассматривается полубесконечный полупроводник, имеющий как минимум одну поверхность, свойства которой и рассматриваются. Основным «дефектом» такого полупроводника является наличие поверхности (обрыв периодичности кристаллической решётки), что по умолчанию детерминирует наличие поверхностных состояний. Кроме того, на поверхности присутствуют различные дефекты и примеси, также вносят свой вклад в плотность поверхностных состояний. Основной теоретической проблемой эффекта поля является нахождение распределения поверхностного и внутреннего потенциала в полупроводнике, особенно при приложении внешнего электрического поля. Основной экспериментальной проблемой эффекта поля фиксация поверхностных состояний при изменении внешних факторов, долгое время не давало возможности для полноценного исследования поверхностной проводимости и практической реализации МДП-транзисторов. Эта проблема была решена с разработкой технологии пассивации поверхности кремния в начале 60-х годов 20-го века.

Источник

Эффект поля

Эффект поля

Эффектом поля называют изменение концентраций носителей (проводимости) в приповерхностном слое ПП под действием электрического поля. Слой с повышенной концентрацией основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной концентрацией – обедненным. Третий режим – инверсный. Между металлической пластиной и полупроводником, разделенных воздухом (диэлектриком) приложено напряжение U. В этой системе МДП (металл – диэлектрик – полупроводник) протекание тока невозможно. Такая система равновесна и представляет собой своеобразный конденсатор, у которого одна из обкладок полупроводник.

Рисунок 5.22 – Эффект поля в структуре металл-диэлектрик-полупровдник

На этой обкладке будет наведен по значению такой же заряд, как и на металлической. Однако в отличие от металла заряд в полупроводнике не сосредотачивается на поверхности, а распространяется на некоторое расстояние в глубь кристалла.

Электрическое поле, созданное напряжением U, распределяется между диэлектрикам и полупроводником. Поле в диэлектрике Е_Д постоянное (так, как в диэлектрике нет объемных зарядов), а поле в полупроводнике заведомо непостоянное, так как, заряд спадает от поверхности в глубь полупроводника.

14 мкм в собственном полупроводнике (кремний). Значение L_D – определяется на расстоянии при котором потенциал уменьшается в е раз, по сравнению с максимальным значением φ_S на поверхности (составляет несколько десятых долей вольта). В примесных полупроводниках L_D

Если принять потенциал в объеме полупроводника равным нулю, то потенциал поверхности будет отличен от нуля благодаря наличию зарядов между объемом и поверхностью. Разность потенциалов между поверхностью и объемом называют поверхностным потенциалом и обозначают через φ_s.

Следует заметить, что в отсутствие внешнего напряжения поверхностный потенциал не падает до нуля, а имеет конечную равновесную величину φ_S0. Она обусловлена наличием поверхностных состояний, которые способны захватывать или отдавать электроны на сравнительно длительное время. Еще одним фактором, влияющим на величину φ_S0 является контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником. Внешнее напряжение, необходимое для того, чтобы скомпенсировать равновесный поверхностный потенциал, называется напряжением спрямления зон и обозначается через U_F (от Flat Band — плоские зоны).

Как уже отмечалось, электрическое поле распределяется между диэлектрикам и полупроводником. Поле в диэлектрике возрастает при уменьшении расстояния d. Расстояние d не может быть произвольно малым: при условии d

(5.1)

В общем случае плотность заряда в полупроводнике записывается следующим образом:

(5.2)

Концентрации свободных носителей, в правой части связаны с величиной электростатического потенциала φ_Е.

Величину поверхностного потенциала можно найти из условия непрерывности электрической индукции на границе полупроводник-диэлектрик:

, (5.3)

Поле в диэлектрике постоянное, поэтому:

; (5.4)

поле в полупроводнике на границе с диэлектриком определяется функцией φ(х):

(5.5)

Рисунок 5.23 – Зависимость поверхностного потенциала в собственном полупроводнике от толщины диэлектрика и напряжения на металлическом электроде

Опуская математические выкладки, приведем зависимость φ_S(U) в виде кривых на рисунке 5.23. Из этих кривых видно, что поверхностный потенциал составляет тем большую долю приложенного напряжения, чем тоньше диэлектрик (чем меньше параметр а). При всех реальных значениях толщины диэлектрика и приложенного напряжения поверхностный потенциал не превышает нескольких десятых долей вольта.

Примесный полупроводник. Особенностью эффекта поля в примесных полупроводниках по сравнению с собственными является возможность получения как обогащенных, так и обедненных слоев.

Режим обогащения соответствует такой полярности приложенного напряжения, при которой основные носители притягиваются к поверхности. Меньшее искривление зон обусловлено тем, что примесный полупроводник богат подвижными носителями и потому даже небольшой поверхностный потенциал обеспечивает необходимый заряд вблизи поверхности.

а – режим обогащения; б – режим обеднения; в – образование инверсионного слоя

Рисунок 5.24 – Эффект поля в примесных полупроводниках

Режим обеднения соответствует такой полярности приложенного напряжения, при которой основные носители отталкиваются от поверхности. В этом случае поверхностный потенциал может иметь гораздо большие значения, чем в режиме обогащения (рис. 5.24,б). Отталкивание основных носителей, как уже отмечалось, приводит к появлению объемного некомпенсированного заряда примесных ионов.

Положив в этом выражении х = 0 и φ(0) = φ_s, найдем протяженность (толщину) обедненного слоя:

(5.7)

Хотя структура выражений (5.7) и (5.6) одинакова, между ними есть и существенная разница: дебаевская длина зависит только от свойств материала, тогда как толщина объемного заряда зависит еще и от приложенного напряжения, поскольку от него зависит потенциал φ_S (рисунок 5.23). Обычно величина l₀ в несколько раз превышает величину l_D.

С ростом напряжения основные носители продолжают отталкиваться (а обедненный слой расширяться), но одновременно к поверхности притягиваются неосновные носители. Когда нарастающий заряд неосновных носителей превысит заряд оставшихся основных, изменится тип проводимости приповерхностного слоя. Этот случай характеризуют термином инверсия типа проводимости, а слой, образованный неосновными носителями, называют инверсионным слоем (рисунок 5.24, в).

В обычных случаях максимальный поверхностный потенциал составляет 0,6-1В.

5.5.1 Понятие потенциала. В любом сечении ПП потенциал вычисляется путем деления на заряд электрона термодинамической работы выхода электрона, определенной разностью значений уровня Ферми и уровня вакуума. Эту работу можно представить также как сумму «внутренней» работы, необходимой для перевода электрона с уровня Ферми на дно зоны проводимости и «внешней» работы – для последующего перевода электрона в свободное пространство (вакуум) называемой сродством к электрону.

Изменение потенциала определяется изменением энергии дна зоны проводимости. Таким же точно будет изменение энергии потолка валентной и среднего уровня запрещенной зоны.

Положительное напряжение вызовет увеличения падения напряжения на слое окисла должно также произойти одинаковое увеличение положительного заряда акцепторов в приповерхностной области кремния. Рост заряда акцепторов возможен только вследствие уменьшения количества дырок по сравнению с состоянием равновесия. Таким образом, усиливается обеднение основными носителями, а происходящее нарушение электрической нейтральности характеризуется появлением заряда акцепторных ионов.

С увеличением положительного потенциала увеличивается толщина слоя, где обнаруживается не скомпенсированный дырками заряд ионов акцептора.

Это состояние ПП называется состоянием поверхностного обеднения.

При напряжениях больше, чем пороговое в приповерхностном слое происходит изменение типа электропроводности (инверсия) и называют инверсной областью.

При подаче отрицательного напряжения (минус на металл, плюс на подложке) произойдет ослабление поля в окисле и уменьшение разности потенциалов на нем, так как внешнее поле противоположено по знаку внутреннему полю в состоянии равновесия, что уменьшает заряд на обкладках конденсатора по сравнению с состоянием равновесия.

Если Uвнешнее компенсирует действие разности работ выхода металла и полупроводника, то при этом накопленный в МДП заряд уменьшается до нуля и, следовательно, исчезает электрическое поле в окисле и полупроводнике.

В этом момент структура уже не находится в состоянии равновесия. Полупроводник всюду оказывается электрически нейтральным, т.е. поверхностный потенциал равен нулю.

Источник

Эффект поля. Полевые транзисторы

Изгиб зон и избыточную проводимость, описанные выше, можно получить и с помощью внешнего поля, перпендикулярного поверхности полупроводника. Более того, оказалось, что с помощью внешнего поля можно изменять величину и знак потенциального барьера в ОПЗ, тем самым изменяя поверхностную проводимость. Это была чрезвычайно плодотворная идея. На ее основе созданы полевые транзисторы и интегральные схемы на полевых транзисторах, разработана область функциональной электроники, так называемая ПЗС-электроника. Приведенными примерами использование эффекта поля не ограничивается.

Эффект полязаключается в изменении электропроводности концентрации носителей в полупроводнике под действием поперечного электрического поля. Основные процессы протекают в ОПЗ и аналогичны тем, о которых шла речь в предыдущем разделе.

Рассмотрим процессы, протекающие в МДП-структуре (металл-диэлектрик-полупроводник), где полупроводник имеет электронную проводимость (рис. 8.4).

Рис. 8.4. МДП – структура: а – схематичный рисунок; б – график избыточной

проводимости, 1 – металлический электрод (затвор), 2 – подзатворный диэлектрик,

3 – полупроводник, 4 – омический контакт

Предположим вначале, что поверхностные состояния на границе полупроводника с диэлектриком отсутствуют. Поэтому до включения внешнего электрического поля электрическая диаграмма полупроводника плоская. При включении поля на затворе, как на обкладке всякого конденсатора, скапливается заряд. Такой же заряд формируется и в приповерхностном слое полупроводника. Если потенциал затвора положительный, в полупроводнике формируется отрицательный заряд. Это обогащение ОПЗ приводит к росту приращения поверхностной проводимости ΔG_s (рис. 8.4, б).

При смене полярности приложенного напряжения начнется обеднение ОПЗ и ΔG станет отрицательной величиной. Она будет возрастать до величины ΔG_s (U_min). При дальнейшем возрастании отрицательного потенциала затвора обеднение ОПЗ вступит в фазу инверсии, т.е. концентрация дырок здесь будет больше, чем концентрация электронов.

С ростом отрицательного потенциала затвора ΔG_s будет возрастать. Необходимо учитывать, что определяющим в эффекте поля является не полное напряжение U_з, а та его часть, которая падает на слое ОПЗ – U_s

, (8.19)

где φ_s – высота потенциального барьера в валентной зоне (-φ_s) или в зоне проводимости (φ_s) ОПЗ.

На рис. 8.4, б приведены кривые для n-полупроводника при различных концентрациях основных носителей, т.е. различных степенях легирования

. (8.20)

Параметр λ_s характеризуют и положение уровня Ферми. Как и в случае поверхностных зарядов, положение уровня Ферми определяют координаты минимума функции ΔG_s (U_з)

. (8.21)

Очевидно, что правая ветвь графиков ΔG_s (U_з) обусловлена в основном электронной проводимостью, а левые ветви – дырочной проводимостью.

Для полупроводника дырочного типа кривые зависимости ΔG_s (U_з) имеют такой же вид, однако с увеличением степени легирования линии смещаются влево (рис. 8.3).

Если на поверхности полупроводника имеются поверхностные состояния,эффект поля будет существенно ослаблен. Это объясняется тем, что часть носителей из объема захватывается поверхностными уровнями и образует поверхностный заряд. Этот заряд экранизирует внешнее электрическое поле, и оно проникает на меньшую глубину в полупроводник. Чем больше концентрация и заселенность поверхностного уровня, тем выше степень экранирования, тем ниже управляющее действие затвора.

Положение минимума кривой ΔG_s(U_з) не зависит от свойств поверхности (8.21). Это позволяет использовать точку минимума для совмещения теоретической и экспериментальной кривых ΔG_s(U_з) в процессе исследования свойств поверхностных состоянийполупроводника. Измерением эффекта поля удается определить тип поверхностной проводимости, установить величину поверхностного заряда, концентрацию и положение поверхностных уровней.

Весьма важным свойством МДП-структуры является зависимость ее емкости от напряжения затвора. В случае обогащения ОПЗ заряд накапливается в весьма тонком слое, толщина которого мало зависит от напряжения. Также незначительно изменяется и емкость МДП-структуры.

Совершенно иная картина наблюдается при обеднении ОПЗ. В этом случае плотность заряда ограничена плотностью примесных ионов и толщиной ОПЗ

, (8.22)

где N – концентрация примесных (донорных или акцепторных) ионов,

Из последнего соотношения следует, что толщина обедненного слоя пропорциональна величине заряда Q_s, а последний зависит от потенциала затвора. В таких условиях МДП-структуру можно рассматривать как два последовательно включенных конденсатора. Емкость первого конденсатора C_д обусловлена наличием диэлектрика и обратно пропорциональна его толщине d:

. (8.23)

Емкость второго конденсатора C_s обусловлена наличием обедненного слоя и зависит от его толщины

. (8.24)

Суммарная емкость определяется по известной формуле

. (8.25)

Подставим в (8.24) выражение (8.9) или (8.10), учитывая (8.23) и (8.25), можно записать выражение вольт-фарадной характеристики (ВФХ) МДП структуры

, (8.26)

где N – концентрация ионов (доноров или акцепторов) в ОПЗ.

U_д – падение напряжение на диэлектрическом слое.

Выражение (8.26) справедливо лишь до начала формирования инверсного слоя, при более высоких отрицательных потенциалах затвора картина становится более сложной. В этой области, как и в случае обогащения ОПЗ, изменение величины l_s и Q_s незначительно.

На практике осуществляют измерение вольт-фарадных характеристик, с помощью которых проводят исследование поверхностных свойств полупроводника и параметров ОПЗ.

Как уже говорилось, на основе эффекта поля созданы полевые транзисторы, по ряду параметров превосходящие биполярные транзисторы. Полевыми (униполярными) называются транзисторы, работа которых основана на управлении размерами токоведущей области (канала) посредствам изменения напряженности поперечно приложенного электрического поля.

Главнойхарактеристикой полевого транзистора является зависимость тока через канал I_c от напряжения на затворе U_з при постоянном напряжении исток-сток U_c

. (8.27)

Другой характеристикой полевого транзистора является семейство стоковых характеристик при постоянном напряжении на затворе U_з

. (8.28)

При увеличении U_c ток стокастремится к насыщению–I_{c нас}и достигает его при напряжении U_{c нас}.

По своим свойствам полевые транзисторы аналогичны ламповым триодам. Поэтому усилительные свойства полевых транзисторов обычно описываются с помощью крутизны характеристики сток-затвор S

. (8.29)

Предельная частотаполевого транзистора определяется постоянной времени τ, равной произведению емкости затвора С_з на сопротивление канала или с учетом (8.29)

. (8.30)

Естественно, характеристики полевых транзисторов сильно зависят от типа прибора. Различают два типа полевых транзисторов: транзисторы с изолированным затвором и транзисторы с управляющим переходом.

Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют структуру МДП или МОП (металл-окисел-полупроводник). В эту группу входят транзисторы со встроенным каналом(рис. 8.5, а, б). Работа этих транзисторов аналогична рассмотренной ранее работе МДП – структуре. В МДП – транзисторах с индуцированным каналом (рис. 8.5, а) проводящий канал находится между сильно легированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока возникает только при определенной полярности и напряжении на затворе, которые называют пороговым напряжением (U_{з пор}).

В МДП-транзисторах с встроенным каналом(рис. 8.5, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе уже существует инверсный слой – канал, который соединяет исток со стоком. Проводящий канал может быть создан в результате диффузии или ионной имплантации соответствующих примесей в приповерхностный слой подложки.

Модуляция сопротивления встроенного канала может происходить как при положительном, так и при отрицательном потенциале затвора. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения.

Рис. 8.5. Структура полевых транзисторов: а – МДП с индуцированным каналом;

б – МДП с встроенным каналом; в – с p-n переходом; г – с барьером Шоттки;

И – исток; с – сток; з – затвор

Полевые транзисторы с управляющим переходом делятся на три подгруппы. В качестве управляющего перехода используют p-n-переход, барьер Шотки или гетеропереход.

В полевых транзисторах с барьером Шоттки роль p-n перехода играет обедненная область под затвором, толщина которой управляется изменением U_з.

Надо отметить, что полевые транзисторы разработаны и используются в виде дискретных элементов, а также в интегральном исполнении, как фрагменты интегральных схем.

Источник