Исследование вольт-фарадных характеристик многослойных структур на кремниевой подложке

Аннотация

В данной работе проводятся измерения вольт-фарадных характеристик некоторых многослойных структур Металл – Диэлектрик – Полупроводник (МДП) на оборудовании Научно Образовательного Комплекса НГУ с целью исследования поведения ёмкостей данных структур.

Введение

В Лаборатории Электрофизических Измерений Научно-образовательного комплекса НГУ проводятся измерения слаботочных

и сильноточных микро- и наноструктур, характеризация полупроводниковых приборов и тестовых элементов. Разработка методологии электрофизических измерений. Эти исследования актуальны во многих областях, в том числе в изготовлении активноматричных и сенсорных панелей и силовой электроники.

Рис. 1. Лаборатория.

Одним из наиболее распространенных методов изучения свойств структур металл - диэлектрик - полупроводник является метод, основанный на анализе зависимости емкости МДП-структуры CМДП от напряжения на затворе VG, так называемый метод вольт-фарадных характеристик (ВФХ) или C-V метод.

1. Объект исследования

Классическая МДП – структура.

Структуры металл - диэлектрик - полупроводник, или сокращенно МДП-структуры, широким интересом к изучению их физических свойств обязаны появлению планарной технологии и развитию нового класса полупроводниковых приборов, работающих на основе эффекта поля, таких как приборы с зарядовой связью, полевые транзисторы с изолированным затвором, репрограммируемые элементы памяти с плавающим затвором и т.п. МДП-структуры позволяют анализировать основные процессы, протекающие в такого рода приборах, и являются чрезвычайно удобными объектами исследования. Устройство МДП-структуры следует из ее названия.

МДП-структура представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, называемую подложкой, закрытую с планарной стороны диэлектриком. Металлический электрод, нанесенный на диэлектрик, носит название затвора, а сам диэлектрик называется подзатворным. На обратную непланарную сторону полупроводниковой пластины наносится металлический электрод, называющийся омическим контактом. Довольно часто в качестве диэлектрика в МДП-структурах используют окислы, поэтому вместо МДП употребляется название МОП-структура. Итак, МДП-структура, приведенная на рисунке 2, состоит из затвора, подзатворного диэлектрика, полупроводниковой подложки и омического контакта.

Рис.2. Устройство МДП структуры: 1 - затвор, 2 - подзатворный диэлектрик, 3 - полупроводниковая подложка, 4 - омический контакт

Мысленно поместим полупроводник в однородное электрическое поле E = 106÷107 В/см. В экранировке электрического поля в полупроводнике или любом другом твердом теле должны принять участие 1012÷1013 свободных или фиксированных зарядов на единицу площади. В металлах, где концентрация свободных электронов в единице объема n ≈ 1022 см-3, такое количество свободных носителей соответствует их перераспределению на величину порядка межатомных расстояний, и, следовательно, электрическое поле вглубь металлов не проникает. В диэлектриках, где концентрация свободных носителей меньше 105 см-3, электрическое поле не экранируется (кроме как поляризационными процессами) и проникает на любое расстояние вглубь диэлектрика. В полупроводниках ситуация промежуточная. Например, для экранировки электрического поля от отрицательного заряда плотностью NM = 1011 см-2 на металлическом электроде в электронном полупроводнике требуется слой ионизованных доноров шириной =. Для экранировки поля от положительного заряда необходимо подтянуть электроны из объема полупроводника. При этом характерная глубина проникновения электрического поля также составляет десятки и сотни ангстрем.

Следовательно, из-за малой концентрации свободных носителей заряда в объеме полупроводника возможно проникновение электрического поля вглубь полупроводника на большие, по сравнению с межатомными, расстояния. Проникшее электрическое поле перераспределяет свободные носители заряда. Это явление получило название эффекта поля. Таким образом, эффект поля - это изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. Поскольку заряд свободных носителей или ионизованных доноров пространственно распределен в приповерхностной области полупроводника и эта область не является электронейтральной, она получила название область пространственного заряда (ОПЗ).

В зависимости от направления и величины внешнего электрического поля, типа полупроводниковой подложки различают 4 различных состояния поверхности полупроводника: обогащение, обеднение, слабая инверсия и сильная инверсия. Все эти ситуации отражены на рисунке 3 для полупроводника n-типа.

Рис. 3. Зонная диаграмма приповерхностной области полупроводника n-типа при различных состояниях поверхности: а) обогащение; б) обеднение; в) слабая инверсия; г) сильная инверсия

Все приложенное напряжение VG к МДП-структуре делится между диэлектриком и полупроводником, причем очевидно, что падение напряжения в полупроводнике равняется поверхностному потенциалу ψs.

Из условия электронейтральности следует, что заряд на металлическом электроде QM должен быть равен суммарному заряду в ОПЗ Qsc, заряду поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик Qss и встроенному заряду в диэлектрик вблизи границы раздела Qox.

Емкость диэлектрика- ,

Отсюда падение напряжения на диэлектрике- .

Учитывая, что между металлом и полупроводником существует разность термодинамических работ выхода Δφms, получаем:

Согласно определению емкости , зная и

Получаем

Теперь используя выражения для заряда ОПЗ и зависимости напряжения на полупроводнике от напряжения на затворе можем получить выражение:

Это соотношение позволяет нам построить эквивалентную схему МДП-структуры, представив ее как последовательно соединенную емкость диэлектрика Cox с параллельной цепочкой емкости ОПЗ Csc и поверхностных состояний Css.

Страница:  1  2 


Другие рефераты на тему «Физика и энергетика»:

Поиск рефератов

Последние рефераты раздела

Copyright © 2010-2024 - www.refsru.com - рефераты, курсовые и дипломные работы