Образование обедненных, инверсионных и обогащенных слоев в полупроводнике

 

За счет внешнего электрического поля можно получить обедненные, инверсионные и обогащенные слои в приповерхностной области полупроводника.

Так как работа МДП-транзистора зависит от образования проводящего инверсионного слоя на поверхности кремниевой пластины, то его характеристики в значительной степени будут зависеть от природы поверхности. Переход электрона из полупроводника в диэлектрик определяется свойствами границы раздела кремний — двуокись кремния, которые, в свою очередь, зависят от многих объемных параметров полупроводника. Известно, что энергетический уровень ловушек, находящихся на поверхности материала, расположен в запрещенной зоне. При описании характеристик МДП-транзисторов необходимо учитывать эти состояния. Предположение о существовании поверхностных состояний, энергетический уровень которых расположен 'В запрещенной зоне полупроводника, впервые высказано в работе. Эти состояния можно разделить на две категории: состояния, расположенные в слое двуокиси кремния, и состояния, расположенные на границе раздела диэлектрик — полупроводник. Каждый тип состояний обусловлен соответствующим видом взаимодействия. Состояния, расположенные в слое двуокиси кремния, чрезвычайно чувствительны к окружающей среде (влаге, температурным градиентам и т. д.) и, как считают, обусловлены адсорбцией ионов и молекул тонким слоем окисла, покрывающим поверхность полупроводниковых приборов. Состояния, расположенные на границе раздела кремний — двуокись кремния, менее чувствительны к окружающей среде и зависят от качества обработки поверхности пластины кремния и процесса выращивания окисла. Таким образом, любые несовершенства, образующиеся при химическом травлении поверхности полупроводникового материала, отразятся «а плотности поверхностных состояний.

Рассмотрим еще раз слабо легированную пластину p-типа и исследуем область канала, над которой имеется слой двуокиси кремния. Первоначальный инверсионный слой (при U₃=0) сильнее зависит от адсорбированного окислом заряда, чем от состояний на границе раздела диэлектрик — полупроводник. Если предположить, что в слое двуокиси кремния имеются захваченные заряды положительных ионов, то у поверхности кремния будет образовываться сложный заряженный слой, состоящий из свободных электронов, находящихся в инверсионном слое, ионизированных акцепторов в обедненном слое и области постепенного перехода от поверхности к объему кремния р-типа. Однако в этих условиях электрическое поле Е отсутствует. Как мы увидим дальше, положительные заряды в слое двуокиси кремния вызывают образование первоначального инверсионного слоя (при нулевом напряжении на затворе).

 

 

Распределение заряда в разных случаях может быть различным. Рассмотрим некоторые из них. Слой положительных зарядов в окисле вызывает образование слоя отрицательных зарядов на поверхности кремния. Свободные электроны вытягиваются из объема полупроводника р-типа, где они были неосновными носителями, и концентрируются вблизи границы раздела диэлектрик — полупроводник. Однако электроны не в состоянии преодолеть границу раздела, поскольку их энергия для этого недостаточна. Непосредственно под границей раздела такие свободные электроны образуют проводящий инверсионный слой n-типа. Последующие электроны, которые притягиваются слоем положительных зарядов, рекомбинируют в объеме материала, образуя область ионизированных акцепторных атомов, или обедненный слой. Так как обедненный слой состоит только из ионизированных атомов и в нем нет свободных носителей тока, то область, расположенная под инверсионным слоем, не обладает проводимостью. При дальнейшем удалении от поверхности все большую роль начинают играть объемные свойства полупроводникового материала р-типа. Очевидно, что между инверсионным и обедненным слоями, а также между обедненным слоем и объемом полупроводника нет резкой границы. Такие границы являются размытыми, а резкой является только граница раздела полупроводник — диэлектрик, отделяющая инверсионный слой n-типа от положительного заряда ионов в слое окисла.

Диэлектрик

Особенно большой интерес представляет следующее объяснение распределения зарядов. Мы видели, что когда между затвором и подложкой имеется положительное напряжение, возникает инверсионный слой, имеющий избыток отрицательных зарядов, ограничивающих электрическое поле в окисле. Когда напряжение между затвором и подложкой отсутствует, то, следовательно, отсутствует и электрическое поле. В противном случае в слое окисла имело бы место падение напряжения, равное dU=dEdS. Таким образом, область границы раздела диэлектрик — полупроводник должна быть электрически нейтральной. Иначе имелось бы какое-то поле Е. Эта точка зрения приводит нас к выводу о том, что к границе раздела диэлектрик — полупроводник притягиваются электроны, при этом образуется инверсионный слой, и благодаря положительному заряду, имеющемуся в окисле, сохраняется электрическая нейтральность границы раздела.

 

Рисунок 20. Искривление зон у поверхности полупроводника n-типа (Ψ₀ — поверхностный потенциал).

 

Это перераспределение зарядов на поверхности полупроводника, защищенного слоем окисла, оказывает влияние на положение уровня Ферми в этой области. Уровень Ферми в объеме кремния р-типа находится у потолка валентной зоны, a в инверсионном слое кремния n-типа он должен располагаться у дна зоны проводимости. Система находится в равновесии, и применение уровней Ферми справедливо. Уровень Ферми может быть уподоблен химическому потенциалу и устанавливает связь между свойствами частиц, находящихся в объеме материала и в вакууме. Особенность уровня Ферми состоит в том, что он должен оставаться постоянным во всех областях материала. Если уровень Ферми постоянен, то у поверхности полупроводника должно происходить искривление зон. Это показано на рис. 19 сверху для кремния р-типа и на рис. 20 сверху – для кремния n-типа. Отрицательный заряд, захваченный ловушками, показан только на рис. 20 сверху.

Другой механизм, способствующий образованию первоначального n-канала — разность работ выхода кремния, двуокиси кремния и материала электрода затвора. Сначала рассмотрим искривление зон на границе раздела полупроводник — диэлектрик, вызванное разностью работ выхода кремния и двуокиси кремния.

 

Рисунок 21 Определение работы выхода электрона (еφ_χ— произведение работы выхода на заряд электрона)

 

Работа выхода материала определяется энергией, необходимой для удаления электрона с уровня Ферми в вакуум.

Таким образом, работа выхода материала χ равна eφχ (см. рис.21).

Работа выхода кремния р-типа в среднем равняется 4,8 эв. Так как уровень Ферми в кремнии р-типа зависит от концентрации легирующей акцепторной примеси, то работа выхода также будет зависеть от концентрации легирующей примеси. Разница между энергией свободного электрона и энергией дырок, расположенных у потолка валентной зоны кремния, составляет 5,15 эв. Ширина запрещенной зоны кремния хорошо известна и при комнатной температуре равняется 1,11 эв. Таким образом, энергетическая диаграмма кремния р-типа приняла бы вид, показанный на рис.22.

 

Рисунок 22 Энергетическая диаграмма кремния.

 

Работа выхода электронов из кремния обозначается как eφ_S1.

Если не учитывать влияния поверхностных эффектов, то энергетическая структура двуокиси кремния примет вид, показанный на рис23.

 

Рисунок 23 Энергетическая диаграмма двуокиси кремния.

 

 

Работа выхода двуокиси кремния для пленок [I] толщиной от 1500 до 6 000 Å, составляет 4,4 — 4,5 эв. Работа выхода φ_SiO2 также показана на рис12. сверху. Предположим, что кремний и двуокись кремния контактируют друг с другом и образуют границу раздела. Если энергетические диаграммы, показанные на двух рисунках сверху, совместить в состоянии равновесия, то уровень Ферми должен оставаться постоянным в обеих областях. Для поддержания равновесия, при котором через границу раздела не протекал бы ток, необходимо учесть разность работ выхода кремния и двуокиси кремния. Это приводит к изгибу зон у границы раздела. Так как работа выхода кремния больше, чем двуокиси кремния, то изгиб зон в кремнии всегда будет происходить так, что на его поверхности образуется канал n-типа. Величина потенциального барьера, возникающего на границе раздела, достаточна для того, чтобы ток между двумя областями отсутствовал. Это показано на энергетической диаграмме рис 23. Отметим, что если какой-нибудь диэлектрик имеет работу выхода, большую, чем работа выхода кремния, образуется поверхностный канал с проводимостью р-типа.

Известно, что разные материалы имеют разные энергии свободных электронов.

Как показано на рис13. энергии свободных электронов для двух разных материалов не совпадают. Однако так называемая энергия свободного электрона не равна полной энергии электрона, изолированного от всяких взаимодействий. Эту энергию необходимо рассматривать как добавочную энергию, необходимую электрону, находящемуся на уровне Ферми в материале данного типа, для того чтобы он мог преодолеть потенциальный барьер и попасть в вакуум. Каждый материал характеризуется собственными силами связи. Следовательно, энергия свободного электрона будет разной для разных материалов. В состоянии равновесия единственной величиной, связывающей объемные свойства материала с вакуумом, является уровень Ферми. Все виды энергии кристаллической решетки будут выражаться через уровень Ферми, кроме энергии электронов, находящихся в вакууме.

Величина канала на поверхности кремния зависит от разности работ выхода кремния и двуокиси кремния, и, кроме того, определяется работой выхода металла, из которого выполнен электрод затвора. Особенно это важно в случае тонких окислов. Достаточно отметить, что металлы с малой работой выхода способствуют возникновению канала на поверхности кремния, тогда как металлы с работой выхода, превышающей работу выхода кремния, приводят к уменьшению канала.