Плотность поверхностных

= Лехр(—г*г) — плотность обратного тока насыщения;

7.8. Используя данные и результаты предыдущей задачи, найти: а) плотность обратного тока насыщения, а также отношение дырочной составляющей обратного тока насыщения к электронной, если диффузионная длина электронов и дырок Ln=Lp=blO"3 м; б) напряжение, при котором плотность прямого тока /=105 А/м2.

Решение, а) Плотность обратного тока насыщения

7.11. р-/г-переход выполнен из собственного германия с концентрацией п,-=1013 см~~3, легированного акцепторной примесью с концентрацией Ата=1017 см~3 и донорной примесью с концентрациейЛ^д=5-10'в см~3. Коэффициенты диффузии для неосновных электронов и дырок соответственно равны 100 и 50 см2/с, диффузионная длина Ln=Lp=0,8 см. Определить: а) контактную разность потенциалов срк; б) плотность обратного тока насыщения /о при Т=300 К.

7.14. Кремниевый планарный p-tt-переход имеет удельную проводимость р-области ар=103 См/м и д-области Оп=20 См/м. Время жизни неосновных носителей заряда 5 и 1 мкс в р- и «-областях соответственно. Определить: а) отношение дырочной составляющей тока к электронной в р-и-переходе; б) плотность обратного тока насыщения и

В диапазоне малых скачков обратного напряжения Ub0 (пока Ub0 не превосходит примерно 1 — 2 кВ) плотность обратного тока к аноду jb ограничена концентрацией ионов п^ входящих из плазмы в оболочку. Эта плотность равна:

Значение динамической составляющей плотности обратного тока пропорционально скорости нарастания толщины ионной оболочки во времени d&ldt. Поэтому полная плотность обратного тока равна:

Тепловой пробой в реальных диодах всегда происходит с образованием так называемого «шнура» или канала высокой проводимости, температура в котором превышает среднюю температуру остальной части р-«-перехода. В свою очередь, образование шнура может быть вызвано либо дефектами в реальном р-я-переходе, либо статистической флуктуацией плотности обратного тока по площади p-n-перехода. Действительно, если в каком-нибудь месте р-я-перехода в некоторый момент времени плотность обратного тока оказалась несколько выше плотности обратного тока в остальной части р-я-перехода, то температура этого места р-/г-перехода будет выше из-за большей выделяющейся там удельной мощности. Увеличение температуры приведет к росту плотности обратного тока в данном месте р-я-пере-хода в связи с увеличением тепловой генерации носителей либо в самом переходе (см. § 3.10), либо в областях полупроводника, прилегающих к р-я-переходу (см. § 3.2, 3.4 и 3.5). Локальное увеличение плотности тока вызовет локальное увеличение температуры, увеличение температуры вызовет увеличение плотности тока и т. д.

ности кристалла части перехода плотность обратного

3. Значительно большая плотность обратного тока в германиевых диодах, так как при прочих равных условиях концентрация неосновных носителей заряда в германии больше на несколько порядков, чем в кремнии.

Для улучшения выпрямляющих свойств селеновые выпрямительные пластины подвергают электрической формовке, которую производят путем длительного приложения постоянного напряжения в обратном направлении. При этом создаются благоприятные условия для диффузии кадмия в селен и наращивания слоя селе-нида кадмия. Прохождение электрического тока способствует образованию равномерного по толщине выпрямляющего электрического перехода, так как в наиболее слабых местах перехода будет большая плотность обратного гока, что приведет к локальному повышению температуры и более интенсивному соединению кадмия с селеном.

достигает 10'4—10асм 2, т.е. составляет величину порядка концентрации поверхностных атомов или ионов кристалла. При таком поверхностном состоянии полупроводниковой подложки формирование МДП-структур оказалось бы принципиально невозможным. Это нетрудно показать, если учесть, что максимальная плотность состояний, индуцируемая на поверхности полупроводника и определяемая напряженностью пробоя диэлектрика (106—107В/см), не превышает 10" — 102см~2. Следовательно, влияние индуцируемого заряда на модуляцию проводимости слоя полупроводника является пренебрежимо малым. Однако рассмотренный случай может иметь место лишь в условиях, близких к идеальным. В обычных условиях поверхность полупроводника покрыта толстым слоем оксидных соединений, а также слоями адсорбированных атомов и молекул. В результате искусственного окисления поверхности полупроводника или каких-либо других химических реакций можно получить диэлектрические слои с контролируемыми электрофизическими свойствами. Существенным является то, что поверхность, покрытая таким диэлектрическим слоем, имеет значительно меньшую плотность состояний, чем атомарно чистая поверхность. Этому можно дать сравнительно простое качественное объяснение, если учесть, что поверхностные состояния обусловлены обрывом валентных связей в кристаллической решетке, вследствие чего поверхностные атомы или ионы кристалла находятся в иных условиях по сравнению с атомами или ионами, расположенными в его глубине. При окислении или других поверхностных реакциях поверхностные атомы или ионы кристалла образуют химические связи с чужеродными атомами, например с атомами кислорода или азота. Вследствие этого для поверхностных атомов полупроводника и атомов, находящихся в глубине кристалла, различия становятся менее значительными. Этому способствует влияние ориентирующего поля полупроводникового кристалла, благодаря которому первые слои наращиваемого диэлектрика повторяют структуру полупроводника. В результате плотность поверхностных состояний на границе раздела полупроводник — диэлектрик уменьшается по сравнению с открытой поверхностью полупроводника.

Однако в действительности на плотность поверхностных состояний оказывает влияние ряд других факторов, характеризующих реальное состояние поверхности и несовершенство технологических операций. Важнейший из них связан с различием исходных состояний поверхностных атомов полупроводника, обусловленным тем, что реальную поверхность полупроводника нельзя отождествлять с идеальной кристаллографической плоскостью. Реальная поверхность всегда имеет определенный рельеф как в микроскопическом, так и в макроскопическом масштабе и, следовательно, различные ее участки ограничены разными кристаллографическими плоскостями. Поэтому на такой рельефной поверхности имеются внешние и внутренние углы, условия

манипуляции электрических потенциалов на металлических электродах МДП-структуры, возбуждения акустической волны в слое пьезоэлектрика, покрывающего полупроводник, и др. Однако наибольшее распространение получили ПЗС на основе МДП-структур. К одному из важнейших типов ПЗС относится так называемый поверхностно-зарядовый транзистор, структура и условное обозначение которого приведены на 3.16, а, б. Как видно из рисунка, структура ПЗС представляет собой кремниевую подложку с электропроводностью /г-типа, на которой создаются области, покрытые слоем SiCb толщиной 0,1—0,2 мкм. Над этими областями располагаются металлические электроды, показанные на 3.16, а. Структура ПЗС очень проста, так как по существу включает в себя только три области и для своего формирования не требует проведения процессов контролируемого введения примесных атомов (диффузии или ионного легирования). Количество технологических операций, необходимых для изготовления ПЗС, втрое меньше, чем для биполярных структур, и вдвое меньше, чем для МДП-структур. Важная особенность ПЗС состоит также в том, что их можно изготовлять не только на основе кремния, но и на основе ряда других полупроводниковых материалов (например, на арсениде галлия), имеющих высокую подвижность носителей заряда или большую ширину запрещенной зоны. Однако следует принимать во внимание, что технология изготовления ПЗС предъявляет гораздо более жесткие требования к совершенству границы раздела между полупроводником и диэлектриком, чем технология изготовления МДП-структур. Например, если для нормальной работы МДП-транзисторов достаточно обеспечить плотность поверхностных состояний 10'°— 10" см~2, то для функционирования ПЗС эта плотность должна быть меньше примерно на два порядка.

К такому же эффекту приводит скопление дислокаций на отдельных участках поверхности. При внедрении примесных атомов в кристаллическую решетку в ней возникают механические напряжения, вызванные различием атомных радиусов примесного элемента и полупроводника. Напряжения, обусловленные сжатием или растяжением решетки, могут оказаться достаточными для ее пластической деформации и генерации дислокаций. Плотность образующихся дислокаций тем больше, чем больше различие между атомными радиусами. Так, при диффузии бора в кремний, тетраэдрические ковалентные радиусы атомов которых равны гв = 0,089 нм и rsi = 0,117 нм соответственно, генерация дислокаций в поверхностном слое кремния начинается при плотности поверхностных атомов бора выше 5-Ю19 м~2. Следует иметь в виду, что плотность поверхностных атомов бора в кремнии при температуре ниже 1370 К составляет 3-Ю19 м~2, а при 1470 К-5-1020 м~2.

Пленка SiO2 прозрачна, имеет блестящую стеклянную поверхность и при толщине в десятые доли микрометра кажется окрашенной вследствие интерференции света, отраженного от ее поверхности и поверхности кремния. По этой окраске можно приближенно определить ее толщину. Например, зеленый цвет соответствует толщине 0,27 мкм. Диоксид кремния и кремний имеют близкие температурные коэффициенты расширения (ТКР), благодаря чему не происходит механических повреждений пленки при изменениях температуры. Диэлектрическая проницаемость SiO2 составляет 0,3 пФ/см, а электрическая прочность— 600 В/мкм. Плотность поверхностных состояний (ловушек) и скорость поверхностной рекомбинации на границе Si — SiO2 гораздо меньше, чем на поверхности неокисленного кремния и составляют соответственно 10е ... 1011 см—* и 1 ...100 см/с, причем минимальные значения достигаются для ориентации (100), а максимальные— для ориентации (111)*. В пленке SiO2 вблизи границы раздела с кремнием существует положительный заряд, образованный ионами Si+, — фиксированный поверхностный заряд [3]. Его плотность СПОв минимальна для ориентации (100) (QnoB/q < 3 • 1010 см~2, q—заряд электрона) и максимальна (на порядок больше) для ориентации (111). Величина QnoB коррелирует с плотностью поверхностных состояний. Слой SiO2 защищает поверхность кремния от проникновения посторонних химических веществ и влаги.

Плотность поверхностных состояний

Видно, что арсенид галлия уступает кремнию по ряду параметров, важных для создания транзисторов и микросхем. Так, слишком высокая плотность поверхностных состояний в МДП-структурах на арсе-

Вследствие хорошего соответствия кристаллических решеток двух полупроводниковых материалов в гетеропереходе (см. 5.9, а) обеспечивается низкая плотность поверхностных состояний и дефектов. По указанным причинам для электронов, накопленных в области 3, в слабых электрических полях достигается очень высокая подвижность, близкая к объемной подвижности для нелегированного арсенида галлия [(8...9)-103 сма/(В-с) при Т = 300 К]. Поскольку в нелегированном слое арсенида галлия преобладает решеточное рассеяние, подвижность резко увеличивается при понижении температуры.

Важными достоинствами структуры ГМЕП-транзистора (по сравнению со структурой МЕП-транзистора на 5.1) являются меньшая плотность поверхностных состояний на границе арсенида галлия-алюминия с диэлектриком и большая высота барьера Шотки (фоэ» «1 В). Вследствие меньшей плотности поверхностных состояний уменьшаются отрицательный поверхностный заряд и толщина обедненных областей в промежутках исток — затвор, затвор — сток, что позволяет обеспечивать меньшие паразитные сопротивления этих областей, не используя дополнительные технологические операции селек-

21. Почему высокая плотность поверхностных состояний затрудняет создание МДП-транзисторов на арсениде галлия?

4лвд8 i\t 4Л8пв AM Плотность поверхностных зарядов, индуцированных на граничной плоскости, Qd