Реальная МДП-структура

Зонныедиаграммыматериаловструктурыметалл (алюминий) - окисел - полупроводник p-типа изображены на рис.4.3.

Рисунок 4.3 - Зонные диаграммы алюминия, SiO₂ и кремния p - типа с

концентрацией легирующей примеси N_a

Рассмотрим энергетические зонные диаграммы реальных МДП-cтруктур
[Аl-(cильнолегированиый поликремний) - ], предполагая, что сопротивление диэлектрика бесконечно велико и полупроводниковая подложка легирована равномерно. Эти предположения, как правило, остаются в силе при расчете параметров реальных МОПТ.

Разность работ выхода из алюминия и собственного кремния = – 0,6В. Следовательно, разность работ выхода в AL- -Si структурах зависит от концентрации носителей в подложке и для типичных значений вне зависимости от типа электропроводности подложки — величина отрицательная. Следовательно, в обоих случаях зоны у границы раздела искривятся вниз (рис.4.2), но для n-полупроводника выполняется режим обогащения, а для р-полупроводника — обеднения.

Для поликремниевых затворов -типа, где уровень Ферми практически совпадает с положением дна зоны проводимости, работа выхода равна величине сродства к электрону в кремнии и величина

(4.10)

В поликремниевых затворах -типа, где уровень Ферми лежит у потолка валентной зоны, работа выхода и величина

(4.11)

До сих пор мы считали, что граница раздела лишeнa каких-либо зарядовых состояний, способных повлиять на работу МОП-транзистора. В реальных структурах влияние неидеальной границы раздела и заряда в окисле может привести к существенным изменениям их электрических параметров и приборов, изготовленных на основе МОП-структур.

В настоящее время различают следующие типы зарядов и ловушек:

1. Заряд поверхностных состояний, возникающий в глубине запрещенной зоны полупроводника из-за неидеальности кристаллической решетки, обусловленной разорванными связями, избыточными атомами кремния, избыточным кислородом или атомами примеси. Поверхностные состояния называются донорными, если, отдавая электрон, они становятся нейтральными или положительно заряженными, и акцепторными, которые, захватывая электрон, становятся нейтральными или отрицательно заряженными. Поверхностные состояния называются также быстрыми, поскольку обладают способностью быстро перезаряжаться, обмениваясь электронами (дырками) с кремнием. В современных МОП-структурах, получаемых термическим окислением кремния, подавляющая часть поверхностного заряда нейтрализуется в процессе низкотемпературного (450 ) отжига в атмосфере водорода.

2. Фиксированный заряд в окисле, расположенный в слое толщиной порядка 3 нм вблизи границы раздела . Величина этого заряда практически не зависит от толщины слоя окисла, типа проводимости и концентрации легирующей примеси в подложке. Фиксированный заряд в окисле, как правило, положителен, хотя может существовать и небольшое число отрицательных центров. Предположительно фиксированный заряд обусловлен или избыточным трехвалентным кремнием, или избыточным (несвязанным, потерявшим один электрон) кислородом в приповерхностном слое . Фиксированные заряды в окисел может вводить инжекция горячих носителей, влияние которой существенно проявляется при работе структур c малыми размерами.

3. Заряд в окисле, вызванный дрейфом ионизированных атомов щелочных металлов, таких как натрий или калий, при сравнительно низком напряжении на металлическом полевом электроде. Особенно велика концентрация ионов натрия на границе раздела, так как он имеется в виде примеси во многих металлах. Заряд ионов натрия в термически выращенном является основной причиной нестабильности электрических характеристик МОП-приборов. Для предотвращения проникновения подвижного ионного заряда в окисел используют фосфоросиликатные стекла (окисел , обогащенный ).

Если для простоты не учитывать заряд, захваченный на поверхностных состояниях, и предположить, что заряд в окисле находится на границе раздела , то на основании закона Гаусса напряжение на затворе, обусловленное этим заряженным слоем, может быть выражено как

, (4.24)

,

(4.12)

где — поверхностная плотность заряда на границе раздела ;

— удельная емкость затвора (окисла);

— диэлектрическая проницаемость ; d — толщина .

Величина напряжения на затворе, необходимого, чтобы энергетические зоны полупроводника в МОП-структурах стали плоскими, называется напряжением плоских зон ) и будет равна алгебраической сумме разности работы выхода металл затвора - полупроводник и напряжения, обусловленного зарядом в окисле,

(4.13)