Влияние внешнего электрического поля.

Рис. Изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной области р- полупроводника при наличии вблизи поверхности заряженной металлической плоскости

Устройство МДП ‑ структуры.

Структуры металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) работают на основе эффекта поля.

Основой МДП-структуры является монокристаллическая полупроводниковая подложка (3), изолированная от металлического электрода - затвора (1) подзатворным диэлектриком (2) (в том числе окислом - МОП). 2-ой электрод - омический контакт (4).

А Б

Рис. А -Устройство МДП ‑ структуры: 1 – затвор, 2 – подзатворный диэлектрик, 3 – монокристаллическая полупроводниковая подложка, 4 – омический контакт. Б - Эквивалентная схема МДП – структуры, включающая последовательные емкости диэлектрика (постоянна) и пространственного заряда (зависит от приложенного напряжения).

Рис. Зонная диаграмма идеальной МДП ‑структуры с полупроводником p ‑типа при различных полярностях приложенного напряжения V _G к затвору: а) V _G = 0; б) V _G > 0; в) V _G < 0; г) распределение зарядов в МДП ‑структуре при V _G > 0; д) распределение приложенного напряжения V _G между диэлектриком и полупроводником.

МДП – структура представляет собой конденсатор, на обкладках которого индуцируется заряд Q = C V. Если в металле заряд локализуется на поверхности, то в полупроводнике заряд простирается вглубь, вызывая изгиб зон, который приводит к изменению концентрации носителей в приповерхностном слое, т.е. к изменению проводимости и емкости слоя. (Напряжение между электродами может модулировать проводимость и емкость МДП – структуры.)

Электропроводность приповерхностного слоя полупро­водника может изменяться под действием электрического поля, возникающего за счет напряжения, прикладываемо­го к металлу и полупроводнику, разделенным диэлектриком. Если предположить, что до включения напряжения поверх­ностные состояния на границе полупроводника и диэлект­рика отсутствуют, то электропроводности приповерхност­ного слоя и объема полупроводника будут одинаковыми.

Рис. Зонные диаграммы приповерхностной области МДП- структуры для собственного полупроводника при различных знаках поверхностного потенциала: а – отрицательный потенциал, б – положительный потенциал.

Рис. Равновесные вольт – фарадные (C-V) характеристики идеальных МДП -структур на кремнии p-типа с различной толщиной подзатворного диэлектрика.

При подаче к электроду (1) отрицательного смещения в ОПС аккумулируются дырки, емкость увеличивается. Доминирует емкость диэлектрика. При уменьшении отрицательного смещения образуется обедненная область. При небольшом положительном смещении наблюдается минимум. В дальнейшем емкость возрастает. Это используется для реализации МДП варикапов с малой проводимостью на постоянном токе. Диапазон регулирования емкости определяется степенью легирования полупроводника (пропорционально) и толщиной диэлектрика (обратно пропорционально). Частота прибора увеличивается с уменьшением площади, сопротивления и емкости.

При включении напряжения между металлом и полу­проводником возникает электрическое поле. На поверх­ности металла и в приповерхностном слое полупроводни­ка, как на пластинах конденсатора, накапливаются заряды. Например, если полупроводник электронный и к нему прикладывается отрицательное напряжение, то под дейст­вием электрического поля у поверхности увеличиваются концентрация электронов и электропроводность приповерхностного слоя полупроводника. При изме­нении полярности напряжения концентрация электронов в приповерхностном слое уменьшается, а дырок - увели­чивается. В связи с этим электропроводность приповерхностной области уменьшается, стремясь к собственной. Уве­личение напряжения приводит к тому, что концентрация дырок становится выше концентрации электронов и про­исходит изменение (инверсия) типа электропроводности слоя. При этом электропроводность приповерхностного слоя увеличивается. Это явление принято называть эф­фектом поля.

Обогащение Обеднение Инверсия (p>n)

Рис. Зависимость электропроводности припо­верхностного слоя полупроводника n-типа от напряжения.

МДП – транзисторы.

Полевой транзистор металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) - этот четырехполюсный прибор состоит из полупроводниковой подложки р- типа, в которой сформированы две высоколегированные п -области – сток и исток. Металлический электрод, отделенный от подложки слоем окисла, называется затвором. Сток и исток изолированы.

Потенциал истока считается заземленным. Когда напряжение на затворе отсутствует, электрическая цепь исток – сток представляет собой два р-п – перехода, включенных навстречу друг другу. При этом в ней может протекать очень малый ток, равный току утечки обратносмещенного перехода. Если же к затвору приложено достаточно большое положительное напряжение, у границы с диэлектриком образуется инверсионный слой или канал, соединяющий п -области стока и истока. Проводимость этого инверсионного канала модулируется при изменении напряжения на затворе. Тыловой контакт к подложке может находиться либо под тем же опорным потенциалом, что и исток, либо под напряжением, соответствующим обратному смещению р-п -перехода исток - подложка. Напряжение обратного смещения также влияет на проводимость инверсионного канала.

Рис. Структура полевого МДП - транзистора.

Напряжение на затворе структуры достаточно для сильной инверсии на границе с окислом. Если напряжение на стоке V_D не слишком велико, инверсионный слой действует как обычное сопротивление, и ток через проводящий инверсионный канал I_D будет увеличиваться пропорционально напряжению стока V_D. Эта область называется линейной областью работы прибора. С увеличением напряжения на стоке в конце концов достигается момент, когда ширина канала x_i, а следовательно, и заряд инверсионного слоя Q_n в точке y=L (прямо на границе стока) становится равным нулю. Эти условия соответствуют началу режима отсечки канала (б). Напряжение стока в данном режиме обозначим V_Dsat. При больших напряжениях (V_D > V_Dsat) точка отсечки Y сдвигается к истоку, а ток стока при этом увеличивается лишь незначительно (в), поскольку напряжение между истоком и точкой отсечки канала Y по прежнему равно V_Dsat.

Рис. МДП-транзистор в линейном режиме (малое напряжение на стоке) - (а),

в начале насыщения (отсечка канала на границе со стоком) - (б)

и в режиме насыщения (показано уменьшение эффективной длины канала) - (в).

Рис. Электрические символы, передаточные и выходные характеристики четырех типов МДП-транзисторов. (Штриховая линия соединяет точки начала насыщения на характеристиках, соответствующих различным смещениям на затворе транзистора.)

В зависимости от типа инверсионного канала различают четыре основных типа МДП-транзисторов. Если при нулевом напряжении на затворе проводимость канала очень мала и для образования инверсионного п - канала нужно приложить положительное напряжение, такой прибор называют нормально закрытым (обогащенного типа) п - канальным МДП - транзистором. Если же п - канал существует уже при нулевом смещении на затворе и, чтобы уменьшить его проводимость, к затвору следует приложить отрицательное обедняющее напряжение, такой прибор называют нормально открытым (обедненного типа) п - канальным МДП - транзистором. Аналогичным образом классифицируются р - канальные МДП - транзисторы.

Дата добавления: 2015-07-08