Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
МДП-СТРУКТУРА

МДП-СТРУКТУРА

МДП-СТРУКТУРА (металл - диэлектрик - полупроводник) - структура, образованная ' пластиной полупроводника П, слоем диэлектрика Д на одной из её поверхностей и металлич. электродом (затвором M, рис. 1). При подаче на МДП-с. напряжения V в полупроводнике вблизи границы с диэлектриком возникает электрич. поле. Оно перераспределяет заряды в полупроводнике, изменяя концентрацию носителей заряда вблизи поверхности, и, следовательно, изменяет электропроводность приповерхностного слоя полупроводниковой пластины (см. Поля эффект). Свойства МДП-с. впервые исследовали амер. физики У. Шокли (W. Shockley) и Дж. Л. Пирсон (G. L. Pearson).

Рис. 2. Энергетическая диаграмма МДП-струк-туры на основе полупроводника р-типа при отсутствии напряжения V на затворе. Заштрихованы состояния, занимаемые электронами при T= 0 K; F - работа выхода металла; - энергия электрона в вакууме; - потолок валентной зоны;- дно зоны проводимости; - уровень Ферми;- ширина запрещённой зоны полупроводника.

Энергетич. диаграмма МДП-структуры изображена на рис. 2 с полупроводником n-типа. При зоны не изогнуты. Если , то возникает изгиб зон; здесь возможны три случая. Если то изгиб зон "вверх" (рис. 3, я) приводит к увеличению числа дырок у поверхности полупроводника, т. к. их концентрация (T - темп-pa). Вблизи поверхности полупроводника формируется слой, обогащённый осн. носителями (см. Контактные явления в полупроводниках). При зоны изгибаются "вниз" (рис. 3, б )и в приповерхностной области уменьшается число осн. носителей (обеднённый слой). При дальнейшем увеличении положит, напряжения зоны изгибаются столь сильно, что середина запрещённой зоны вблизи поверхности опускается ниже (рис. 3, в). С этого момента концентрация электронов превышает концентрацию дырок (инверсионный слой).

Рис. 3. Энергетическая диаграмма МДП-структуры на основе полупроводника р-типа при V< 0 (а), V> 0 (б), V >0 и

( в).

Рис. 4. Участок зонной диаграммы приповерхностной области МДП-структуры (рис. 3, е) в режиме сильной инверсии;- середина запрещённой зоны; -- электростатический потенциал; заштрихованы состояния, занятые электронами при К.

При сильной инверсии, когда дно зоны проводимости опускается ниже (рис. 4), концентрация электронов в инверсионном слое слабо зависит от темп-ры T, а проводимость инверсионного слоя приобретает моталлич. характер: Инверсионный слой отделён от объёма полупроводника обеднённым слоем, где имеется фиксиров. заряд, связанный с донорами и акцепторами, а концентрация электронов и дырок мала.

Слой пространственного заряда в МДП-структуре. Характеристикой изгиба зон служит электростатпч. потенциал , к-рый изменяется от 0 в объёме ника до значения на его поверхности . При высоких темп-pax и слабой инверсии концентрация электронов ге и дырок r в слое экспоненциально зависит от :

где - равновесные концентрации электронов и дырок в объёме полупроводника. При сильной инверсии и понижении темп-ры в инверсионном слое возникает ферыиевское вырождение газа электронов (или дырок).

Ёмкость МДП-структуры. Из условия электро-пейтральности МДП-с. следует, что заряд на метал-лич. затворе Q равен сумме заряда в инверсионном слое и заряда ионизованных акцепторов ц доноров в обеднённом слое полупроводника

Здесь W - толщина обеднённого слоя, N_a и N' _д - концентрации соответственно акцепторов и доноров в объёме полупроводника, е- элементарный заряд.

Полное напряжение V, приложенное к МДП-с., распределяется между слоем диэлектрика и слоем пространственного заряда в полупроводнике; МДП-с. можно рассматривать как последоват. соединение 2 конденсаторов. Дифференц. ёмкость на единицу площади определяется соотношением

где -ёмкость диэлектрика, - дифференц. ёмкость полупроводника.

При V< 0 (режим обогащения) ёмкость и полная ёмкость С близка к С _диэл (рис. 5). При (обеднение) область обеднения служит добавочным слоем диэлектрика и ёмкость МДП-с. падает. В области инверсии (V > 0) дифференц. ёмкость образовавшегося инверсионного слоя намного превышает ёмкость диэлектрика и С~ С _диэл.

Это означает, что почти весь заряд, вводимый в МДП-с., при дальнейшем увеличении V (при сильной инверсии) сосредоточивается в инверсионном слое.

То же самое происходит и при низких теми-рах , когда проводимость в объёме

полупроводника становится исчезающе малой ("вымерзает"): при изменении V заряд обеднённого слоя не успевает измениться и равновесие между объёмом полупроводника и инверсионным слоем практически не устанавливается. В этом случае для изменения заряда инверсионного слоя необходим омический контакт непосредственно с ним. В обоих случаях концентрация носителей заряда в инверсионном слое N_s линейно связана с V:

где - т. н. пороговое напряжение, зависящее от физ. свойств границы диэлектрик - полупроводник.

В реальной МДП-с. вблизи границы раздела существуют связанные электронные состояния, непрерывно распределённые по энергии в пределах запрещённой зоны (обусловленные дефектами кристаллич. решётки, примесными ионами и т. д., концентрирующимися вблизи границы раздела полупроводник - диэлектрик). Перезарядка этих состояний при изменении V может происходить с разл. скоростью, поэтому в случае переменного V т. н. вольт-фарадные характеристики реальных МДП-с. зависят от его частоты.

Кремниевая МОП-структура. Наиб, распространена кремниевая МДП-с., в к-рой слоем диэлектрика слугкит SiO₂ (МОП-структура, от металл - окисел - полупроводник). Её достоинства - малая концентрация связанных электронных состояний на границе Si - SiO₂ (10¹⁰-10¹¹ см ^-2) и высокая электрическая прочностьSiO₂, благодаря чему концентрация носителей может достигать 10¹³ см ^-2. Кремниевая МОП-структура является основой МОП-транзисторов - приборов с зарядовой связью. Она является также объектом физ. исследований благодаря тому, что тонкий приповерхностный инверсионный слой представляет собой квантовую двумерную электронную систему с электрически управляемой энергией Ферми (или концентрацией носителей). На МДП-с. были обнаружены и изучаются такие явления, как андерсеновская локализация, квантовый Холла эффект, отрицат. магнетосопротивление, квантовые осцилляции хим. потенциала и др.

Помимо кремниевой МДП-с. используют и изучают МДП-с. на основе Ge, InSb, GaAs и др.

Лит.:3 и С., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., кн. 1-2, M., 1984; Андо Т., Fаулер А., Стерн F., Электронные свойства двумерных систем, пер. с англ., M., 1985. В. M. Пудалов.