ГЛАВА 7. Полевые транзисторы
Скачать 0.73 Mb.
|
7.3. Полевой транзистор с управляющим переходом типа металл - полупроводникНиже будет рассмотрен ПТ на арсениде галлия (GaAs), который с момента своего появления в 1970 г. занял важное место в полупроводниковой СВЧ-электронике. Основными преимуществами приборов на GaAs являются более высокая скорость электронов, обеспечивающая большее быстродействие, и хорошие изолирующие свойства, позволяющие уменьшить паразитные емкости и упростить процесс изготовления. Полевые транзисторы на основе GaAs могут иметь затворы типа р-n-перехода и затворы на основе барьера Шотки – контакта металл-полупроводник. Во многих случаях эти приборы изготовляют непосредственно ионным внедрением примеси в полуизолирующую подложку из GaAs. Изолирующие свойства связаны с большой шириной запрещенной зоны (1,42 эВ) по сравнению с кремнием. Схематичное изображение ПТ с барьером Шотки (ПТШ) на основе GaAs показано на рис. 7.6. Принцип его работы аналогичен ПТ с управляющим р-n-переходом. Обедненная носителями область барьера Шотки определяет поперечное сечение проводящего канала под затвором. На рис. 7.6 изображен n-канал, созданный на подложке из GaAs n-типа. Возможно применение подложки p-типа, но тогда необходимо учитывать появление перехода (обедненного слоя) между n-каналом и р-подложкой. Теория ПТШ такая же, как у ПТ с р-n-переходом. Остаются применимыми основные соотношения и формулы. Однако для некоторых расчетов существуют более точные математические модели. 7.4. Идеализированная структура металл-диэлектрик - полупроводник7.4.1. Общие сведения о МДП-структуре Для определенности изложения на рис. 7.7 изображена структура МДП-транзистора с каналом n-типа. Транзистор создается на слаболегированной кремниевой подложке р-типа с концентрацией акцепторов порядка 1015 см-3. У поверхности подложки 1 методами диффузии донорных примесей или ионного легирования созданы сильнолегированные истоковая 2 и стоковая 8 области n-типа толщиной около 1 мкм с концентрацией доноров в них более 1019 см-3. Расстояние между областями истока и стока, называемое длиной канала L, может составлять от десятых долей до нескольких микрометров. Структура обратима, т.е. любая из областей 2, 8 может использоваться в качестве истока или стока. На поверхности полупроводника создан тонкий слой диэлектрика 4 толщиной 0,05...0,1 мкм, в качестве которого обычно используют двуокись кремния SiO2. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод 5, называемый затвором. Металлические слои 3 и 7 образуют выводы истока и стока. В приповерхностный слой 6 толщиной около 0,1 мкм методом ионного легирования вводят примеси, тип и концентрация которых определяет тип канала. Если слой 6 легирован донорами, проводящий канал существует при нулевом напряжении на затвор 5, приборы называются транзисторами со встроенным каналом. Если слой 6 легирован акцепторами, как и подложка, то при нулевом напряжении затвор-исток канал между истоком и стоком отсутствует. Но канал n-типа может появиться (индуцироваться) при подаче на затвор относительно истока некоторого положительного напряжения, превышающего так называемое пороговое напряжение. Такие транзисторы называют транзисторами с индуцированным каналом. В следующем параграфе будут рассмотрены физические процессы в структуре металл-диэлектрик-полупроводник, входящий в состав МДП-транзисторов. 7.4.2. Физические процессы в идеализированной МДП-структуре. Будем считать границы металла, диэлектрика и полупроводника плоскими (рис. 7.8). На рис. 7.9,а приведены энергетические (зонные) диаграммы металла (алюминий), диэлектрика (двуокись кремния SiO2) и полупроводника (подложка из кремния р-типа), когда они не контактируют, т.е. не образуют МДП-структуру. [18]. Для представления о масштабе указаны некоторые числовые значения. Энергетический уровень вакуума обозначен через εв Уровень Ферми алюминия (металла) εFМ смещен вниз отεв на величину εFМ= 4,1 эВ, называемую работой выхода электронов из алюминия. В средней части рисунка изображена зонная диаграмма SiO2 с шириной запрещенной зоны около 8 эВ и границами валентной зоны εv и зоны проводимости εc. Интервал между εvи εc в полупроводниковой технике связан с понятием сродства электронов с соотношением (7.29) Сродство электронов равно работе, которую нужно совершить, чтобы перевести электрон со дна зоны проводимости в вакуум, т.е. истинной работе. В окисле SiО2 ок= 0,95 эВ, в кремнии п = 4,05 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния εc– εv=1,12 эВ. Уровень Ферми εFп кремния р-типа находится ниже среднего уровня запрещенной зоны εi= (εc + εv)/2. В рассматриваемом примере, когда концентрация акцепторов Na≈ 1015 см-3, расстояние между уровнем вакуума εв и уровнем Ферми εFп (7.30) Эта величина называется термодинамической работой выхода электрона из полупроводника. Такова «исходная» картина энергетических уровней уединенных компонентов, из которых будет создаваться МДП-структура. Приведем мысленно эти компоненты в контакт для получения МДП-структуры. Известно, что в любой структуре, находящейся в состоянии теплового (термодинамического) равновесия, уровень Ферми всех компонентов структуры должен быть одинаковым. Процесс выравнивания уровней Ферми компонентов может происходить только посредством переноса отрицательных зарядов из материала с более высоким положением уровня Ферми (с меньшей работой выхода). Так как уровень вакуума εв, одинаков для всех компонентов и из эксперимента известны сродство электрона в окисле и полупроводнике и известны работы выхода для металла и полупроводника, то нетрудно построить энергетическую диаграмму МДП-структуры, выполнив условие одинаковости (совпадения) уровней Ферми. Типовая зонная диаграмма МДП-структуры в состоянии теплового равновесия показана на рис. 7.9,б, где индекс «п» у εFп и χп опущен. В нашем случае электроны из алюминия должны переноситься в кремний, так как у AI работа выхода на 0,8 эВ меньше, чем у Si. Но положение усложняется тем, что SiО2 является диэлектриком (в идеальном случае не имеет подвижных носителей заряда) и не может переносить заряд из Al. Действительно, границу раздела металл-окисел следует рассматривать как энергетический барьер высотой 3,15 эВ, препятствующий переходу электронов из металла в окисел. Аналогично для электронов зоны проводимости кремния на границе окисел-кремний существует барьер высотой 3,10 эВ, а для электронов валентной зоны барьер 3,10 + 1,12 = 4,22 эВ. Таким образом, движение электронов через окисел невозможно ни в одном из направлений. Как же тогда происходит перераспределение заряда, необходимое для выравнивания уровней Ферми? Оно возможно потому, что при изготовлении МДП-структуры всегда имеется для передачи заряда какая-то другая цепь, обладающая большей проводимостью, чем диэлектрик. Процесс установления равновесия с участием внешней цепи можно представить следующим образом. Электроны из алюминия через внешнюю цепь подходят к омическому контакту полупроводника. К тому же контакту от границы окисел-полупроводник через полупроводник приходят дырки. В контакте приходящие электроны и дырки полностью рекомбинируют (идеальный омический контакт). Результатом этих процессов будет появление на поверхности металла, граничащей с окислом, узкого положительно заряженного слоя из-за ухода электронов, а по другую сторону окисла – отрицательно заряженной области из-за ухода дырок (заряд ионов акцепторов). Таким образом, конечный эффект такой же, как при непосредственном переходе электронов в полупроводник через окисел, если бы он был возможен. Итак, в состоянии равновесия МДП-структура металл и полупроводник представляют собой две обкладки заряженного конденсатора с разностью потенциалов, определяемой разностью работ выхода металла и полупроводника. Окисел же является диэлектриком в этом конденсаторе. Вернемся к зонной диаграмме на рис. 7.9,б. В «глубине» полупроводника (за начало отсчета взята плоскость раздела окисел-полупроводник) по-прежнему выполняется условие электрической нейтральности, поэтому там границы зон горизонтальны (не искривлены). Искривление границ происходит в областях, где имеется заряд из-за нарушения условия электрической нейтральности. Математическое описание искривления уровней, распределения напряженности поля и потенциала в полупроводнике можно найти путем решения уравнения Пуассона и использования закона Гаусса. Представление о результатах теории для различных режимов работы МДП-структуры дает рис. 7.10. Зонная диаграмма полупроводника МДП-структуры изображена также на рис. 7.10,в. Уровень вакуума здесь уже не показан. Положение уровня Ферми εF не зависит от координаты х (х= 0 соответствует плоскости раздела окисел-полупроводник). Так как энергетические уровни диаграммы изогнуты (изогнуты вниз граница зоны проводимости εc(дно зоны проводимости) и граница валентной зоны εv (потолок валентной зоны)), то также оказывается изогнутой и средняя линия εi; между этими границами. Середина запрещенной зоны в собственном полупроводнике является уровнем Ферми. Так, в примесном р-полупроводнике уровень Ферми εF смещен ниже середины запрещенной зоны на расстояние qφо, зависящее от концентрации примеси. Для упрощения рисунков умножение на заряд электрона q не изображается. В объеме полупроводника (формально при х →∞), где полупроводник электрически нейтрален, границы зон горизонтальны. Значение φо может быть определено по формуле (2.28): (7.31) где φТ=kT/q температурный потенциал; Nа – концентрация акцепторов; ni – концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике. Воспользуемся далее понятием потенциала. В любом сечении полупроводника потенциал вычисляется путем деления на заряд электрона термодинамической работы выхода электрона, определенной разностью энергий уровня Ферми εF и уровня вакуума εп (см. рис. 7.9,а). Эту работу можно представить также как сумму «внутренней» работы, необходимой для перевода электрона с уровня Ферми εF на дно зоны проводимости εс, и «внешней» работы – для последующего перевода электрона в свободное пространство («вакуум»), называемой сродством к электрону χ. Таким образом, в любом сечении структуры потенциал находится из соотношения (7.32) Знак «минус» связан с отрицательным знаком заряда электрона (само q положительно). Вместо (7.32) запишем (7.33) чтобы говорить непосредственно о потенциале. Величины εF, εс(х), χ положительны при принятом за нулевое значение энергии вакуума. Так как εF > εс, то φ (х) < 0. К примеру, на рис. 7.10,в при изменении от х=0 до х→∞ εс убывает (энергия растет вниз по условию отсчета), следовательно, абсолютное значение потенциала | φ (х)| растет. Потенциал в объеме полупроводника (х → ∞) (7.34) Изменение потенциала при переходе от х до х → ∞ составит (7.35) Таким образом, изменение потенциала определяется изменением энергии дна зоны проводимости. Таким же точно будет изменение энергии потолка валентной зоны и среднего уровня запрещенной зоны: (7.36) Удобнее (нагляднее) на зонных диаграммах взять кривую εi(х), , т.е. рассматривать изгиб средней линии запрещенной зоны. Тогда (7.37) Значение разности потенциалов при х = 0 (поверхность раздела окисел-полупроводник) называют поверхностным потенциалом: (7.38) В состоянии равновесия (см. рис. 7.10,в), когда уровни искривлены вниз, εi(o) > εi(∞) и ∆φ>0 (стрелка вниз, обозначение заряда не написано, надо было бы писать qφпов). В равновесном состоянии МДП-структуры металл и полупроводник представляют собой две «обкладки» конденсатора с зарядами Qм и Qa, (см.рис.7.10,в) и внутренней разностью потенциалов между ними, определяемой разностью работ выхода металла и полупроводника. Конденсатор заполнен диэлектриком, поверхностный потенциал полупроводниковой обкладки φпов> 0. Очевидно, что подача внешнего напряжения между металлом и полупроводником выводит структуру из состояния равновесия и изменяет величину заряда на обкладках указанного конденсатора. Рассмотрим возможные состояния структуры, когда приложено отрицательное или положительное внешнее напряжение. При подаче отрицательного напряжения (минус на металле, плюс на подложке) должно происходить ослабление поля в окисле и уменьшение разности потенциалов на нем, так как внешнее поле противоположно по знаку внутреннему полю в состоянии равновесия. Это должно вызвать уменьшение заряда на обкладках конденсатора по сравнению с состоянием равновесия. Интересен случай, когда приложенное напряжение точно компенсирует действие разности работ выхода металла и полупроводника. При этом накопленный в МДП-конденсаторе заряд уменьшается до нуля и, следовательно, исчезает электрическое поле в окисле и полупроводнике. В этом состоянии энергетические зоны в приповерхностной области кремния становятся горизонтальными («плоскими»), как в объеме кремния (см. рис. 7.10,б). В связи с этой особенностью зонной диаграммы напряжение, при котором исчезает искривление зон, называют напряжением плоских зон Uпл, которое определяется очевидным соотношением (7.39) Значение Uплзависит как от конкретного типа металла, так и от концентрации примесей в полупроводнике, влияющей на величину Фп. Обратим внимание на то, что в состоянии плоских зон структура уже не находится в состоянии равновесия из-за приложенного внешнего напряжения Uпл – уровни Ферми в металле и полупроводнике смещены на величину qUпл. Полупроводник всюду оказывается электрически нейтральным с равным нулю поверхностным потенциалам (φпов = 0). Что произойдет, если отрицательное внешнее напряжение по абсолютной величине превысит напряжение плоских зон (|U| > |Uпл |)? В этом случае внутри структуры появится поле, противоположное по знаку тому полю, которое было до появления состояния плоских зон. Появление такого поля приведет к накоплению положительного заряда в приповерхностном слое полупроводника из-за увеличения количества дырок. Поясним это. Все энергетические уровни около границы с окислом при подаче напряжения изгибаются вверх, так что потолок валентной зоны εv, приближается к уровню Ферми εF вызывая рост концентрации дырок по сравнению с концентрацией акцепторов. В объеме полупроводника (х→∞) концентрация дырок равна концентрации акцепторов. В этой части полупроводника влияние поля не проявляется. Итак, при |U| > | Uпл| концентрация дырок (основных носителей полупроводника) станет выше концентрации акцепторной примеси Nа. Поверхностную область с увеличенным (избыточным) количеством дырок называют обогащенной областью, асостояние – состоянием поверхностного обогащения или просто состоянием обогащения. Вэтом состоянии структура по-прежнему является конденсатором (МДП-конденсатором) с равным и противоположным по знаку зарядом на «обкладках». Но теперь, в отличие от состояния равновесия, металл имеет отрицательный заряд Qм, а поверхностная область полупроводника – положительный заряд, вызванный дырками Ор(см. рис. 7.10,а). Вернемся теперь к состоянию равновесия (см. рис. 7.10,в) и подадим не слишком большое положительное напряжение между металлом и подложкой (полупроводником). Этому состоянию соответствует рис. 7.10,г. Положительное напряжение вызовет увеличение падения напряжения на слое окисла. Должно также произойти одинаковое увеличение положительного заряда на металле Qм, и отрицательного заряда акцепторов Qа в приповерхностной области кремния. Рост Qa возможен только вследствие уменьшения количества дырок по сравнению с состоянием равновесия. Таким образом, усиливается обеднение основными носителями, существующее в состоянии равновесия, а происходящее нарушение электрической нейтральности характеризуется проявлением заряда Qа акцепторных ионов. При увеличении положительного напряжения увеличивается толщина слоя ха, где обнаруживается нескомпенсированный дырками заряд ионов Qa=qNaxa. В связи с таким характером изменения поверхностного заряда основных носителей рассматриваемое состояние полупроводника называют состоянием поверхностного обеднения или просто состоянием обеднения. Одной границей этого состояния является состояние равновесия, а другой – так называемое пороговое состояние, за которым следует состояние инверсии. На рис. 7.10,г показаны зонная диаграмма и распределение заряда для порогового состояния. Для промежуточного случая состояния обеднения рисунка нет из соображений экономии места, его легко представить, сравнивая рис. 7.10,в и 7.10,г. Искривление границ зон на рис. 7.10,г таково, что значение εi(0) совпадает с уровнем Ферми εF(точка А). Положительное напряжение, соответствующее этому случаю, называется пороговым напряжением Uпор. В плоскости раздела (х = 0) концентрация дырок равна концентрации электронов, т.е. эта поверхность ведет себя как собственный полупроводник (рi= ni). Искривление энергетических уровней полупроводника на рис. 7.10,г такое же (вниз), как в состоянии равновесия. При положительных напряжениях больших, чем пороговое (U>Uпор), изгиб увеличивается, так что кривая εi(х) пересекает прямую линию уровня Ферми εF в некотором сечении с координатой хi (см. рис. 7.10,б). Теперь это сечение соответствует состоянию собственного полупроводника (ni = рi). При 0 < х< хi уровень Ферми εF находится выше середины запрещенной зоны, т.е. эта область является полупроводником n-типа. Отрицательный заряд Qn при х < хi создается электронами зоны проводимости, в объеме же полупроводника (х > хi) – отрицательным зарядом Qа акцепторных ионо в, причем Qa=qNaxa (хa > хi). Полный заряд в полупроводнике Таким образом, при U > Uпор в приповерхностном слое происходит изменение типа электропроводности (инверсия). Состояние полупроводника называется состоянием инверсии, априповерхностная область (0 < х < хi) – инверсной областью. Различают состояния со слабой и сильной инверсией. Когда у поверхности (х = 0) значение εi(0) лишь немного ниже уровня Ферми εF, то концентрация электронов в инверсном слое незначительно превышает значение ni. Когда разность (εi(0) – εF)больше абсолютного значения разности (εi(∞) – εF) в объеме полупроводника, то концентрация электронов в инверсном слое станет больше концентрации дырок (акцепторов) в объеме полупроводника. Такое состояние называют состоянием сильной инверсии. Условие (εi(0) – εF) > (εi(∞) – εF) можно переписать, используя обозначение φ0 (7.40) На рис. 7.10,е,ж изображены распределения напряженности поля Е(х) и потенциала φ(х) для наиболее важного режима с сильной инверсией. Эти распределения находятся путем решения уравнения Пуассона с использованием закона Гаусса при известном законе распределения зарядов Qм, Qn, Qa на рис. 7.10,д. По закону Гаусса напряженность поля остается постоянной в слое окисла, затем падает из-за наличия отрицательных зарядов в приповерхностном слое полупроводника: электронов в интервале (0 – хi) и акцепторных ионов в интервале (хi– ха). В глубине полупроводника (x > xa) E=0 так как, и полупроводник там остается электронейтральным. На рис. 7.10,е изображено распределение потенциала φ(х), найденное из решения уравнения Пуассона. Значение φ(0) определяет потенциал поверхности, названный поверхностным потенциалом. Величина φпов определяется величиной искривления энергетических уровней. На рис. 7.10 за такой уровень взята εi середина запрещенной зоны. Характерные интервалы изменения и значения φповдля р-полупроводника следующие: φпов<0 (рис. 7.10,а), обогащение основными носителями-дырками (зоны изогнуты вниз); φпов = 0 (рис. 7.10,б), состояние плоских зон. Заряды отсутствуют (нейтрализованы); φ0> φпов> 0 (рис. 7.10,б-г), обеднение основными носителями – дырками (зоны изогнуты вниз); φпов= φо≡φпор (рис. 7.10,г), поверхность (х = 0) является собственным полупроводником (концентрации п = р = пi = pi); φпов>φо≡φпор (рис. 7.10,д), режим инверсии: накопление неосновных носителей – электронов у поверхности (зоны изогнуты вниз). На рис. 7.11 показана расчетная связь между поверхностным потенциалом φпови поверхностной плотностью заряда (заряд в полупроводнике, отнесенный к единице площади поверхности) Qпов, обычно называемого «поверхностным зарядом». В рабочем режиме в МДП-транзисторах используется режим сильной инверсии, когда Qпов сильно зависит от φпов, т.е. от приложенного напряжения. За эту границу принимают φпов=2φ0, когда поверхностная концентрация неосновных носителей (электронов) становится равной исходной концентрации основных носителей (дырок), равной концентрации акцепторов. Изменение φпов осуществляется изменением приложенного напряжения U, значение которого также может быть вычислено. Качественно связь φпов с напряжением видна из рис. 7.10. 7.4.3. Особенности реальной МДП-структуры Предыдущее рассмотрение относилось к идеализированной МДП-структуре, так как не учитывалось влияние зарядов в окисле и на границе окисел-кремний. Чтобы оценить значимость этого заряда, сначала следует оценить порядок концентрации электронов в рассмотренной идеализированной МДП-структуре. При напряжении, немного превышающем пороговое, когда структура входит в инверсный режим, поверхностная плотность электронов (удельная плотность) будет того же порядка, что и поверхностная плотность примесных атомов (акцепторов) на единицу площади поверхности Nа(см-2). Для равномерно распределенных примесных атомов при объемной плотности Nа(см-3) удельная плотность может быть определена как Nа⅔. Если Nа= 1015 см-3, то удельная плотность Nа =1010 см-2. Аналогично удельная плотность кремния при его объемной плотности 5·1022 см-3 составит (5·1022) ⅔ = 1,35·1022 см-2. Поэтому удельная плотность атомов примесей только в 105 раз меньше удельной плотности атомов кремния и будет оказывать влияние на процессы в МДП-структуре. В настоящее время принята следующая классификация зарядов в окисле [4]. 1. Заряд, захваченный поверхностными ловушками кремния и представляющий собой заряд электронных состояний, которые локализованы на границе раздела Si – SiO2 и энергетические уровни которых находятся в «глубине» запрещенной зоны полупроводника. Эти состояния обусловлены избыточными атомами кремния (наличие трехвалентных атомов кремния), избыточным кислородом или примесными атомами. Основная причина возникновения этих состояний в запрещенной зоне полупроводника заключается в том, что сама граница раздела («скол») является нарушением пространственной периодичности. Поверхностное состояние считается донорным, если, отдавая электрон, оно становится нейтральным или положительно заряженным. Акцепторным называют поверхностное состояние, которое становится нейтральным или отрицательно заряженным при захватывании электрона. 2. Фиксированный заряд окисла Qок, расположенный на границе раздела или в непосредственной близости от нее. Величина этого заряда остается практически постоянной во всей области электрических полей, характерных для МДП-структур. 3. Заряд, возникающий при облучении (например, рентгеновском) или при инжекции «горячих» электронов в диэлектрик. Соответствующие ловушки более или менее равномерно распределены в слое окисла. «Горячие» (высоко энергетические электроны) могут попадать в прибор в процессе его изготовления. В составе излучения могут быть также частицы с высокой энергией и фотоны, которые воздействуют на прибор в процессе его эксплуатации (например, в условиях космоса). 4. Заряд подвижных ионов в окисле, например ионов натрия Na+ или калия К+, которые могут перемещаться в слое окисла при интенсивных термополевых нагрузках в МДП-структурах. Ионы натрия и калия легко абсорбируются двуокисью кремния. Натрий особенно широко распространен во многих металлах и химикатах и легко переносится в окисел. Ионы щелочных металлов достаточно подвижны и могут дрейфовать в окисле даже при относительно небольших приложенных напряжениях, при этом с ростом температуры их подвижность увеличивается. Так как ионы металлов несут положительный заряд, то отрицательное напряжение на затворе заставляет эти ионы перемещаться к границе металл-окисел, где, как установлено, они не оказывают влияния на напряжение плоских зон (7.39). Однако при подаче положительного напряжения эти ионы могут мигрировать к границе окисел-кремний, где их влияние максимально. |