Ефект поля (англ. Field Effect) — вплив зовнішнього електричного поля на електропровідність напівпровідника. В загальному випадку розглядається напівнескінченний напівпровідник, який має як мінімум одну поверхню, властивості якої і розглядаються. Основним «дефектом» такого напівпровідника є наявність поверхні (обрив періодичності кристалічної решітки), що за умовчанням детермінує наявність поверхневих станів. Крім того, на поверхні присутні різноманітні дефекти та домішки, що також вносять свій вклад в поверхневі стани. Основною теоретичною проблемою ефекту поля є знаходження розподілу поверхневого та внутрішнього потенціалу в напівпровіднику, особливо при прикладенні зовнішнього електричного поля. Основною експериментальною проблемою ефекту поля була фіксація поверхневих станів при зміні зовнішніх факторів, що довгий час не давало можливості для повноцінного дослідження поверхневої провідності та практичної реалізації МДН- транзисторів. Ця проблема була розв'язана з розробкою технології пасивації кремнію на початку 60-х років 20-го століття.
Історія проблеми
Безумовно і сама назва ефект поля, і її розвиток на першому етапі завдячує геніальній особистості Вільяму Шоклі. Очевидно, що дана проблема належить до міждисциплінарного класу, що лежить на пересіченні фундаментальної фізики та інженерії. Вона зародилась наприкінці 20-х років 20-го століття, як прикладна реакція на стрімкий розвиток фундаментальної науки — квантової механіки. Тоді ж цілком стихійним чином, фундаментальна наука почала своє стрімке впровадження в практику, що вилилось у другій половині 20-го століття в т.з. лозунг «наука — виробнича сила технічного прогресу». Протягом майже 80-ти років свого існування даний напрям розвитку науки переживав свої злети та падіння, проте на жодному з етапів фундаментальні дослідження не брали гори і не вказували шлях розвитку.
Слід відзначити, що сама проблеми виникла в галузі інженерії, тому пріоритет був захищений патентами в США — Лілієнфельдом, а у Великій Британії — Хейлом. Це були досить тривіальні ідеї по практичній реалізації напівпровідникового підсилювача, управління котрого здійснювалось електричним полем. Здійснити ці ідеї на практиці спробував Шоклі наприкінці 30-х років 20-го століття. Як напівпровідник тоді використовували германій, як діелектрик — пластинки слюди, роль металічного електрода виконувала металічна пластинка або металізоване покриття пластинки слюди. Звичайно Шоклі отримав модуляцію провідності поверхні германія, проте ефект був незначним. Більше того, досить нестабільним в часі, що не дозволяло впровадження його в серійне виробництво. Тільки в другій половині 40-х років 20-го століття, стало зрозумілим, що основним дестабілізуючим фактором були т.з. поверхневі стани в напівпровіднику. Та і сам вибір напівпровідника (германій) був не найкращим (навіть сьогодні практично відсутня технологія виготовлення МДН- структур на германії!).
Першим помітив домінуючу роль поверхневих станів в напівпровіднику Бардін, котрий потім разом з Браттейном відкрив т.з. біполярний ефект. Тут необхідно відзначити, що на той час ще не існувало теорії випрямляючих переходів в напівпровіднику (щоб потім не писали вітчизняні спеціалісти в галузі напівпровідників) і тому навіть сам процес випрямлення приписувався поверхневим станам. Розміщуючи досить близько точкові контакти майбутніх еміттера та коллектора Бардін, разом з і «відкрили» біполярний ефект, а по суті вперше запропонували практичну реалізацію на точкових контактах. Очевидно, що на той час ніякої теорії звичайно не було, і тому міфічна взаємодія контактів емітера та колектора (чим ближче розташовані, тим сильніше підсилення) і сприймалась на той час, як фізичне явище (ефект), теорія котрого як сподівались тоді буде розроблена пізніше. Сама назва ефект поля появилась вперше в роботі Шоклі та Пірсона, в якій експериментально було доказано існування поверхневих станів в напівпровіднику. Роль Шоклі на цьому етапі була незначна, оскільки він зазнав розчарування, викликаного неможливістю на той час реалізації ефекту поля. Проте «відкриття» біполярного ефекту стимулювало Шоклі на фундаментальні дослідження спершу точкового переходу, потім сплавного переходу і, нарешті всім відомого p- n -переходу, що з часом і вилилось в теорію p- n -переходу Шоклі, а потім і в теорію біполярного транзистора, що базувалася на понятті квазірівня Фермі.
З появою напівпровідникових переходів та біполярних транзисторів розпочалася нова технологічна ера обробки напівпровідників, спершу германію, а потім і кремнію. Відпрацьовувалися інженерні методи вирощування кристалів та технології розрізання пластин з наступним їх шліфуванням. Більше того, розроблювалися методи дифузії та епітаксії домішок шляхом фотолітографії і т.і. І тільки на кінець 50-х років 20-го століття рівень розвитку технологій досяг зрілості, і шляхом розробки технології пасивації поверхні кремнію Аталлою та Кангом нарешті була створена МДН- структура на кремнії з більш- менш стабільними характеристиками.
Пасивація поверхні кремнію стабілізувала поверхневі стани і стала можлива практична реалізація МДН- транзисторів. Перші феноменологічні моделі МДН- тразисторів появились в піонерських працях Хофштейна, Хеймана, Іхантоли та Молла. Проте, основна фундаментальна праця по створенню теорії МДН- транзистора, що базується на фундаментальних принципах поверхневої провідності була створена в 1964 році учнем Шоклі — Са.
Розв'язок рівняння Пуасона на поверхні напівпровідника
Основні припущення теорії поверхні
При теоретичному дослідженні ходу потенціалу та розподілу зарядів в напівпровіднику вводяться такі припущення:
1. Напівпровідник легований однорідно і має нескінченну товщину. Друга частина цього припущення виконується для кристалів, товщина яких перевищує декілька десятих міліметра. Умова однорідного легування не завжди виконується на практиці внаслідок перерозподілу домішок при окисленні поверхні. Це необхідно враховувати при дослідженні режиму плоских зон. В режимах акумуляції та інверсії цим ефектом можна знехтувати.
2. Напівпровідник є невиродженим. В цьому випадку можна використовувати статистику Максвелла-Больцмана. На практиці в режимах акумуляції та інверсії рівень Фермі може підходити близько до країв зон, що приводить до необхідності використання статистики Фермі- Дірака, що суттєво ускладнює обчислення. Для спрощення розглядають випадок, коли рівень Фермі знаходиться на декілька нижче/вижче краю якоїсь зони.
3. Струм через окисел, що знаходиться на поверхні напівпровідника, відсутній. Це припущення означає, що система є рівноважна і тому можна користуватися поняття рівня Фермі. Пізніше при розгляді буде введений квазірівень Фермі, що дозволить врахувати нерівноважні процеси та використати отримані результати при моделюванні МДН-транзисторів.
4. Густина зарядів, локалізованих на поверхні напівпровідника та в об'ємі діелектрика, не залежить від прикладеної напруги (електричного поля). На поверхні кремнію, для якої прийняті перестороги по зменшенню та стабілізації поверхневих ефектів, ці умови виконуються.
5. Ефекти, обумовлені наявністю сильного електричного поля в напівпровіднику, не враховуються. В загальному випадку зміна потенціалу з віддаллю від поверхні може бути дуже швидкою (при сильній інверсії), тому використання звичайних напівкласичних методів розв'язку (наприклад, використання рівняння Пуассона) вимагають обґрунтування.
Заряди та потенціали на поверхні напівпровідника
Розглянемо напівпровідник типу. Густина зарядів в напівпровіднику визначається сумою зарядів електронів (), дірок () та домішок ():
- . (1)
У випадку невиродженого напівпровідника
- (2a)
- , (2b)
де обернений температурний потенціал, концентрація носіїв у власному напівпровіднику. Оскільки при та , а , тому з (1) та (2) випливає, що
- . (3)
Підстановка (2) та (3) в (1) дає:
- (4)
а одновимірне рівняння Пуассона запишеться у вигляді:
де діелектрична проникність напівпровідника. В компактнішій формі це рівняння буде:
- (5)
де дебаївська довжина екранування у власному напівпровіднику, безрозмірні потенціали. Інтегруючи (5) від до та враховуючи, що при , та , знаходимо:
- (6)
де знак «+» береться при . Таким чином, величина електричного поля на поверхні напівпровідника буде:
- (7)
Повний заряд на одиницю поверхні напівпровідника може бути знайдений із останнього рівняння шляхом використання теореми Гауса:
- (8)
Для знаходження залежності необхідно проінтегрувати (6) від до :
- (9)
що в загальному випадку можна зробити чисельними методами. Підстановка (9) в (4) дає можливість визначення залежності для заданих значень та .
У випадку власного напівпровідника () розв'язок (9) знаходиться в аналітичному вигляді. Рівняння (9) при цьому переходить в
звідки знаходимо:
- (10)
а із (4) та (8) знаходимо:
- (11)
- (12)
Інтегруючи (11) та використовуючи (5), можна знайти вираз для повного заряду на одиницю поверхні:
- (13)
Розділивши (13) на (12), знаходимо:
Це співвідношення визначає відносну величину заряду, який зосереджений в шарі від до , де потенціал рівний . За допомогою (10) величина виражається в явному вигляді через відношення .
Інший випадок, що допускає аналітичний розв'язок рівняння (9) — випадок сильної інверсії на поверхні напівпровідника:
- (14)
Тут в підкореневому виразі рівняння (9) враховується тільки середній член, так що інтегрування дає:
- (15)
Аналогічним чином із (4) знаходимо:
або виключаючи за допомогою (15),
- (16)
Необхідно відзначити, що область використання (16) достатньо вузька, оскільки величина не повинна бути занадто великою, щоб виконувалось припущення про відсутність виродження, і в той же час вона не повинна бути малою для виконання умови (14).
Заряд інверсного шару та ефективна товщина збідненої області
Повний заряд у напівпровіднику створюється електронами, дірками та іонізованими домішками. Заряд електронів в інверсному шарі можна отримати інтегруванням величини від до , де :
- .
Змінивши змінну інтегрування за допомогою (2) знаходимо:
- . (17)
Необхідно відзначити, що тут необхідно використовувати статистику Фермі- Дірака (статистика Максвелла- Больцмана дає завищені результати), коли рівень Фермі близький до зони провідності, або знаходиться в її середині.
Евективна товщина збідненої області визначається з рівняння
Тут припускається, що при густина об'ємного заряду рівна нулю, а при маємо . Коли заряд інверсного шару малий у порівнянні із зарядом збідненої області, , а у випадку сильної інверсії величина стає практично незалежною від , і наближується до граничного значення :
- (18)
Для кремнію при кімнатній температурі в діапазоні концентрацій домішок можна користуватися наступним наближеним співвідношенням:
- (19)
Експериментальні методи дослідження поверхні напівпровідника
МДН- структура
МДН- структура — це плоска тришарова структура, що складається з тонкого шару металу, трохи товщого шару діалектрика та товстого шару напівпровідника (метал- діелектрик/окисел- напівпровідник). У вільній Природі не зустрічається. Звідси витоки деякої зневаги, як до самої МДН_ структури та ефекта поля, пов'язані зі штучністю самої структури та явищ, що в ній спостерігаються. Насправді МДН- структура є ідеальний фізичний об'єкт (хоч і штучний), в якому легко реалізується однорідність електричного поля (в атомах реалізується ідеальна ізотропність!). Звідси також випливає її ідеальність для дослідження ефекта поля на поверхні напівпровідника, і всіх тих попутніх явищ (класичних та квантових), що пов'язані з цим ефектом.
Вперше МДН- структура була отримана на практиці в 1960 році після успішної реалізації технології пасивації кремнію Кангом та Аталлою. В рамках цієї технології МДН- структура створювалась в одному технологічному процесі: спершу поверхня кремнію окислювалась, а потім уже на окисел напилювалась металізація. Завдяки єдиному процесу, металічний електрод практично був еквідистантний поверхні розділу окисел — кремній, що забезпечувало однорідність електричного поля на всій площі МДН- структури. На основі цих МДН- структур були виготовлені перші МДН- транзистори.
Слід відзначити, що тривіальне врахування статистики Фермі- Дірака замість Максвелла- Больцмана не виводить теорію за межі напівкласичного підходу. Більше того, навіть врахування т.з. трикутної потенційної ями на поверхні напівпровідника, що приводить до появи дискретних рівнів енергії у зоні провідності (валентній зоні) також не виводить за вказані межі.
Основною особливістю МДН- структури є те, що на поверхні розділу діелектрик- напівпровідних індукується p- n — перехід, в якому носії заряду мають властивості двовимірної (2D-) системи, поведінка якої до сих пір практично не вивчена. Звідси і т.з. «несподіванка» з відкриттям квантового ефекту Хола, плоского атому і т.і.
Ємність МДН- структури
Поверхнева провідність МДН- структури
Якщо на поверхні напівпровідника в МДН- структурі створені омічні контакти, то вимірюючи провідність між ними в залежності від напруги зміщення, можна отримати ряд корисних відомостей про властивості поверхні. Цей метод дослідження був використаний в класичних експериментах Шоклі та Пірсоена.
Найпростіший шлях обчислення поверхневої провідності полягає в знаходженні надлишкової поверхневої густини електронів та дірок і в функції поверхневого потенціалу. Позначаючи через та густини носіїв заряду у випадку плоских зон , можна записати:
де
або
Тут вираз для був представлений формулою (6). Якщо припустити, що носії заряду не захоплються поверхневими пастками, тоді зміна поверхневої провідності буде виражена як:
де та — ефективні рухливості носіїв заряду, які залежать в загальному випадку від . Залежність для Si та Ge була обчислена рядом авторів. Тут лише варто уваги те, що величина для легованого напівпровідника має мінімум при
Графічне представлення цієї залежності проводять для випадку . Тут ріст провідності при відповідає «режиму акумуляції», при з віддаленням рівня Фермі від верху валентної зони, коли провідність падає, а потім знову різко зростає за рахунок утворення інверсного шару.
Якщо використати випрямляючі контакти при вимірюванні провідності, тоді величина визначається носіями заряду одного типу. Тому в підінтегральних виразах слід брати тільки один із складових.
Дослідженню ефективної рухливості носіїв заряду в приповерхневих шарах напівпровідника присвячено багато теоретичних та експериментальних праць. Дж. Шріффером була розвинута класична теорія поверхневої рухливості, з якої випливає, що за рахунок додаткового розсіювання носіїв на границі розділу діелектрик- напівпровідник та впливу електричного поля величина падає з ростом поверхневого потенціалу і завжди залишається меншою від рухливості в об'ємі напівпровідника. Потім теорія Шріффера була вдосконалена шляхом введення в розгляд анізотропії кристалу, дзеркального відображення носіїв від поверхні та ряду інших ефектів, проте результати розрахунків погано збігаються з експериментальними даними. Основна причина цих розходжень полягає в тому, що класичний підхід до проблеми поверхні не є справедливий, оскільки тут ми маємо малу товщину шару, в якому рухаються носії заряду. Ця товщина є величина одного порядку з довжиною хвилі де Бройля і тому наявність сильного електричного поля приводить до появи квантових явищ.
Чисельні експерименти по дослідженню поверхневої рухливості, в яких особлива увага приділялась стабільності та відтворюваності результатів, показали що в інверсних шарах значення та приблизно вдвічі менше ніж в об'ємі напівпровідника і не залежать від електричного поля.
Поверхнева рухливість основних носіїв, яка вивчалась на МДН- структурах в режимі акумуляції, дещо перевищує рухливість в інверсних шарах. При збільшенні електричного поля значення падають повільніше, ніж передбачає теорія.
МДН- транзистори
Література
- Lilienfeld J.E. Method and Apparatus for Controlling Electric Currents. US Patent #1745175, 1930< january.
- Heil O. Impruvements in or Relating to Electric Amplifiers and other Control Arrangements. UK Patent #439457, 1935, December.
- Bardeen J., Phys. Rev., 71, 1947, p.717.
- Shokley W., Pearson G.L. Modulation of Conductance of Thin Films of Semiconductors by Surface Charges. Phys. Rev., 1948, 74, July, p.232-233.
- Atalla M.M., Tannenbaum E., Scheiber E.J. Stabilization of Silicon Surfaces by Thermally Grown Oxides. Bell Syst. Tech. J., 1959, 38, May, p.749-783.
- Kahng D., Atalla M.M. Silicon- Silicon Dioxide Field Induced Devices. Solid- State Device Research Conference, Pittsburgh, Pa., 1960, June.
- Hofstein S.R., Heiman F.P. The silicon Insulated- Gate Field- Effect Transistor. Proc. IEEE, 1963, 51, September, p.1190-1202.
- Ihantola H.K.J., Moll J.L. Design Theory of a Surface Field- Effect Transistor. Solid- State Electronics, 1964, 7, June, p.423-430.
- Sah C.T. Characteristics of the Metal-Oxide-Semiconductoe Transistor. IEEE Trans. Electron Devices, 1964, ED-11, July, p.324-345.
- Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977. — 672 с.
- Кобболд Р. Теория и применение полевых транзисторов. Ленинград: Энергия, 1975. — 304 с.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Efekt polya angl Field Effect vpliv zovnishnogo elektrichnogo polya na elektroprovidnist napivprovidnika V zagalnomu vipadku rozglyadayetsya napivneskinchennij napivprovidnik yakij maye yak minimum odnu poverhnyu vlastivosti yakoyi i rozglyadayutsya Osnovnim defektom takogo napivprovidnika ye nayavnist poverhni obriv periodichnosti kristalichnoyi reshitki sho za umovchannyam determinuye nayavnist poverhnevih staniv Krim togo na poverhni prisutni riznomanitni defekti ta domishki sho takozh vnosyat svij vklad v poverhnevi stani Osnovnoyu teoretichnoyu problemoyu efektu polya ye znahodzhennya rozpodilu poverhnevogo ta vnutrishnogo potencialu v napivprovidniku osoblivo pri prikladenni zovnishnogo elektrichnogo polya Osnovnoyu eksperimentalnoyu problemoyu efektu polya bula fiksaciya poverhnevih staniv pri zmini zovnishnih faktoriv sho dovgij chas ne davalo mozhlivosti dlya povnocinnogo doslidzhennya poverhnevoyi providnosti ta praktichnoyi realizaciyi MDN tranzistoriv Cya problema bula rozv yazana z rozrobkoyu tehnologiyi pasivaciyi kremniyu na pochatku 60 h rokiv 20 go stolittya Istoriya problemiBezumovno i sama nazva efekt polya i yiyi rozvitok na pershomu etapi zavdyachuye genialnij osobistosti Vilyamu Shokli Ochevidno sho dana problema nalezhit do mizhdisciplinarnogo klasu sho lezhit na peresichenni fundamentalnoyi fiziki ta inzheneriyi Vona zarodilas naprikinci 20 h rokiv 20 go stolittya yak prikladna reakciya na strimkij rozvitok fundamentalnoyi nauki kvantovoyi mehaniki Todi zh cilkom stihijnim chinom fundamentalna nauka pochala svoye strimke vprovadzhennya v praktiku sho vililos u drugij polovini 20 go stolittya v t z lozung nauka virobnicha sila tehnichnogo progresu Protyagom majzhe 80 ti rokiv svogo isnuvannya danij napryam rozvitku nauki perezhivav svoyi zleti ta padinnya prote na zhodnomu z etapiv fundamentalni doslidzhennya ne brali gori i ne vkazuvali shlyah rozvitku Slid vidznachiti sho sama problemi vinikla v galuzi inzheneriyi tomu prioritet buv zahishenij patentami v SShA Liliyenfeldom a u Velikij Britaniyi Hejlom Ce buli dosit trivialni ideyi po praktichnij realizaciyi napivprovidnikovogo pidsilyuvacha upravlinnya kotrogo zdijsnyuvalos elektrichnim polem Zdijsniti ci ideyi na praktici sprobuvav Shokli naprikinci 30 h rokiv 20 go stolittya Yak napivprovidnik todi vikoristovuvali germanij yak dielektrik plastinki slyudi rol metalichnogo elektroda vikonuvala metalichna plastinka abo metalizovane pokrittya plastinki slyudi Zvichajno Shokli otrimav modulyaciyu providnosti poverhni germaniya prote efekt buv neznachnim Bilshe togo dosit nestabilnim v chasi sho ne dozvolyalo vprovadzhennya jogo v serijne virobnictvo Tilki v drugij polovini 40 h rokiv 20 go stolittya stalo zrozumilim sho osnovnim destabilizuyuchim faktorom buli t z poverhnevi stani v napivprovidniku Ta i sam vibir napivprovidnika germanij buv ne najkrashim navit sogodni praktichno vidsutnya tehnologiya vigotovlennya MDN struktur na germaniyi Pershim pomitiv dominuyuchu rol poverhnevih staniv v napivprovidniku Bardin kotrij potim razom z Brattejnom vidkriv t z bipolyarnij efekt Tut neobhidno vidznachiti sho na toj chas she ne isnuvalo teoriyi vipryamlyayuchih perehodiv v napivprovidniku shob potim ne pisali vitchiznyani specialisti v galuzi napivprovidnikiv i tomu navit sam proces vipryamlennya pripisuvavsya poverhnevim stanam Rozmishuyuchi dosit blizko tochkovi kontakti majbutnih emittera ta kollektora Bardin razom z i vidkrili bipolyarnij efekt a po suti vpershe zaproponuvali praktichnu realizaciyu na tochkovih kontaktah Ochevidno sho na toj chas niyakoyi teoriyi zvichajno ne bulo i tomu mifichna vzayemodiya kontaktiv emitera ta kolektora chim blizhche roztashovani tim silnishe pidsilennya i sprijmalas na toj chas yak fizichne yavishe efekt teoriya kotrogo yak spodivalis todi bude rozroblena piznishe Sama nazva efekt polya poyavilas vpershe v roboti Shokli ta Pirsona v yakij eksperimentalno bulo dokazano isnuvannya poverhnevih staniv v napivprovidniku Rol Shokli na comu etapi bula neznachna oskilki vin zaznav rozcharuvannya viklikanogo nemozhlivistyu na toj chas realizaciyi efektu polya Prote vidkrittya bipolyarnogo efektu stimulyuvalo Shokli na fundamentalni doslidzhennya spershu tochkovogo perehodu potim splavnogo perehodu i nareshti vsim vidomogo p n perehodu sho z chasom i vililos v teoriyu p n perehodu Shokli a potim i v teoriyu bipolyarnogo tranzistora sho bazuvalasya na ponyatti kvazirivnya Fermi Z poyavoyu napivprovidnikovih perehodiv ta bipolyarnih tranzistoriv rozpochalasya nova tehnologichna era obrobki napivprovidnikiv spershu germaniyu a potim i kremniyu Vidpracovuvalisya inzhenerni metodi viroshuvannya kristaliv ta tehnologiyi rozrizannya plastin z nastupnim yih shlifuvannyam Bilshe togo rozroblyuvalisya metodi difuziyi ta epitaksiyi domishok shlyahom fotolitografiyi i t i I tilki na kinec 50 h rokiv 20 go stolittya riven rozvitku tehnologij dosyag zrilosti i shlyahom rozrobki tehnologiyi pasivaciyi poverhni kremniyu Atalloyu ta Kangom nareshti bula stvorena MDN struktura na kremniyi z bilsh mensh stabilnimi harakteristikami Pasivaciya poverhni kremniyu stabilizuvala poverhnevi stani i stala mozhliva praktichna realizaciya MDN tranzistoriv Pershi fenomenologichni modeli MDN trazistoriv poyavilis v pionerskih pracyah Hofshtejna Hejmana Ihantoli ta Molla Prote osnovna fundamentalna pracya po stvorennyu teoriyi MDN tranzistora sho bazuyetsya na fundamentalnih principah poverhnevoyi providnosti bula stvorena v 1964 roci uchnem Shokli Sa Rozv yazok rivnyannya Puasona na poverhni napivprovidnikaOsnovni pripushennya teoriyi poverhni Pri teoretichnomu doslidzhenni hodu potencialu ta rozpodilu zaryadiv v napivprovidniku vvodyatsya taki pripushennya 1 Napivprovidnik legovanij odnoridno i maye neskinchennu tovshinu Druga chastina cogo pripushennya vikonuyetsya dlya kristaliv tovshina yakih perevishuye dekilka desyatih milimetra Umova odnoridnogo leguvannya ne zavzhdi vikonuyetsya na praktici vnaslidok pererozpodilu domishok pri okislenni poverhni Ce neobhidno vrahovuvati pri doslidzhenni rezhimu ploskih zon V rezhimah akumulyaciyi ta inversiyi cim efektom mozhna znehtuvati 2 Napivprovidnik ye nevirodzhenim V comu vipadku mozhna vikoristovuvati statistiku Maksvella Bolcmana Na praktici v rezhimah akumulyaciyi ta inversiyi riven Fermi mozhe pidhoditi blizko do krayiv zon sho privodit do neobhidnosti vikoristannya statistiki Fermi Diraka sho suttyevo uskladnyuye obchislennya Dlya sproshennya rozglyadayut vipadok koli riven Fermi znahoditsya na dekilka kT displaystyle kT nizhche vizhche krayu yakoyis zoni 3 Strum cherez okisel sho znahoditsya na poverhni napivprovidnika vidsutnij Ce pripushennya oznachaye sho sistema ye rivnovazhna i tomu mozhna koristuvatisya ponyattya rivnya Fermi Piznishe pri rozglyadi bude vvedenij kvaziriven Fermi sho dozvolit vrahuvati nerivnovazhni procesi ta vikoristati otrimani rezultati pri modelyuvanni MDN tranzistoriv 4 Gustina zaryadiv lokalizovanih na poverhni napivprovidnika ta v ob yemi dielektrika ne zalezhit vid prikladenoyi naprugi elektrichnogo polya Na poverhni kremniyu dlya yakoyi prijnyati perestorogi po zmenshennyu ta stabilizaciyi poverhnevih efektiv ci umovi vikonuyutsya 5 Efekti obumovleni nayavnistyu silnogo elektrichnogo polya v napivprovidniku ne vrahovuyutsya V zagalnomu vipadku zmina potencialu z viddallyu vid poverhni mozhe buti duzhe shvidkoyu pri silnij inversiyi tomu vikoristannya zvichajnih napivklasichnih metodiv rozv yazku napriklad vikoristannya rivnyannya Puassona vimagayut obgruntuvannya Zaryadi ta potenciali na poverhni napivprovidnika Rozglyanemo napivprovidnik p displaystyle p tipu Gustina zaryadiv v napivprovidniku r x displaystyle rho x viznachayetsya sumoyu zaryadiv elektroniv n displaystyle n dirok p displaystyle p ta domishok N displaystyle N r x q n p N displaystyle rho x q n p N 1 U vipadku nevirodzhenogo napivprovidnika n niexp b ϕF ϕ displaystyle n n i exp beta phi F phi 2a p niexp b ϕF ϕ displaystyle p n i exp beta phi F phi 2b de b q kT displaystyle beta q kT obernenij temperaturnij potencial ni displaystyle n i koncentraciya nosiyiv u vlasnomu napivprovidniku Oskilki pri x displaystyle x to infty ta r x 0 displaystyle rho x to 0 a ϕ 0 displaystyle phi to 0 tomu z 1 ta 2 viplivaye sho N 2nish bϕF displaystyle N 2n i mbox sh beta phi F 3 Pidstanovka 2 ta 3 v 1 daye r x 2qni shb ϕF ϕ shbϕF displaystyle rho x 2qn i mbox sh beta phi F phi mbox sh beta phi F 4 a odnovimirne rivnyannya Puassona zapishetsya u viglyadi dudx d2ϕdx2 shb ϕF ϕ shbϕF displaystyle frac du dx frac d 2 phi dx 2 mbox sh beta phi F phi mbox sh beta phi F de ϵs displaystyle epsilon s dielektrichna proniknist napivprovidnika V kompaktnishij formi ce rivnyannya bude d2udx2 1LD2 shuF sh uF u displaystyle frac d 2 u dx 2 frac 1 L D 2 mbox sh u F mbox sh u F u 5 de LD ϵs2bqni displaystyle L D sqrt frac epsilon s 2 beta qn i debayivska dovzhina ekranuvannya u vlasnomu napivprovidniku uF bϕF u bϕ displaystyle u F beta phi F u beta phi bezrozmirni potenciali Integruyuchi 5 vid x displaystyle x do x displaystyle x infty ta vrahovuyuchi sho pri x displaystyle x infty u 0 displaystyle u 0 ta dudx 0 displaystyle frac du dx 0 znahodimo dudx 2LD ushuF ch uF u chuF 1 2 displaystyle frac du dx pm frac sqrt 2 L D u mbox sh u F mbox ch u F u mbox ch u F 1 2 6 de znak beretsya pri u lt 0 displaystyle u lt 0 Takim chinom velichina elektrichnogo polya na poverhni napivprovidnika bude Es 1b dudx s 2bLD usshuF ch uF us chuF displaystyle E s frac 1 beta frac du dx s pm frac sqrt 2 beta L D u s mbox sh u F mbox ch u F u s mbox ch u F 7 Povnij zaryad na odinicyu poverhni napivprovidnika mozhe buti znajdenij iz ostannogo rivnyannya shlyahom vikoristannya teoremi Gausa Qs ϵsEs 1b dudx s 2bLD usshuF ch uF us chuF displaystyle Q s epsilon s E s frac 1 beta frac du dx s pm frac sqrt 2 beta L D u s mbox sh u F mbox ch u F u s mbox ch u F 8 Dlya znahodzhennya zalezhnosti r x displaystyle rho x neobhidno prointegruvati 6 vid x 0 displaystyle x 0 do x displaystyle x x usuLD2 ushuF ch uF u chuF 1 2du displaystyle x pm int u s u frac L D sqrt 2 u mbox sh u F mbox ch u F u mbox ch u F 1 2 du 9 sho v zagalnomu vipadku mozhna zrobiti chiselnimi metodami Pidstanovka 9 v 4 daye mozhlivist viznachennya zalezhnosti r x displaystyle rho x dlya zadanih znachen ϕs displaystyle phi s ta ϕF displaystyle phi F U vipadku vlasnogo napivprovidnika uF 0 displaystyle u F 0 rozv yazok 9 znahoditsya v analitichnomu viglyadi Rivnyannya 9 pri comu perehodit v x usuLD2 chu 1 du usuLD2csch u 2 du displaystyle x pm int u s u frac L D sqrt 2 mbox ch u 1 du pm int u s u frac L D 2 mbox csch u 2 du zvidki znahodimo xLD ln th u 4 ln th us 4 displaystyle frac x L D ln mbox th u 4 ln mbox th u s 4 10 a iz 4 ta 8 znahodimo r x 2qnishu displaystyle rho x 2qn i mbox sh u 11 Qs 4qLDnish us 2 displaystyle Q s 4qL D n i mbox sh u s 2 12 Integruyuchi 11 ta vikoristovuyuchi 5 mozhna znajti viraz dlya povnogo zaryadu na odinicyu poverhni Q 0xr x dx 4LDniq sh u 2 sh us 2 displaystyle Q int 0 x rho x dx 4L D n i q mbox sh u 2 mbox sh u s 2 13 Rozdilivshi 13 na 12 znahodimo QQs 1 sh u 2 sh us 2 displaystyle frac Q Q s 1 frac mbox sh u 2 mbox sh u s 2 Ce spivvidnoshennya viznachaye vidnosnu velichinu zaryadu yakij zoseredzhenij v shari vid x 0 displaystyle x 0 do x displaystyle x de potencial rivnij u displaystyle u Za dopomogoyu 10 velichina Q Qs displaystyle Q Q s virazhayetsya v yavnomu viglyadi cherez vidnoshennya x LD displaystyle x L D Inshij vipadok sho dopuskaye analitichnij rozv yazok rivnyannya 9 vipadok silnoyi inversiyi na poverhni napivprovidnika ch uF u ushuF displaystyle mbox ch u F u gg u mbox sh u F 14 Tut v pidkorenevomu virazi rivnyannya 9 vrahovuyetsya tilki serednij chlen tak sho integruvannya daye x 2LDe uF 2 e u 2 e us 2 displaystyle x 2L D e u F 2 e u 2 e u s 2 15 Analogichnim chinom iz 4 znahodimo r x u u qnie u uF displaystyle rho x frac u u qn i e u u F abo viklyuchayuchi u displaystyle u za dopomogoyu 15 r x u u qni x2LD e us u 2 2 displaystyle rho x frac u u qn i frac x 2L D e u s u 2 2 16 Neobhidno vidznachiti sho oblast vikoristannya 16 dostatno vuzka oskilki velichina u displaystyle u ne povinna buti zanadto velikoyu shob vikonuvalos pripushennya pro vidsutnist virodzhennya i v toj zhe chas vona ne povinna buti maloyu dlya vikonannya umovi 14 Zaryad inversnogo sharu ta efektivna tovshina zbidnenoyi oblasti Povnij zaryad u napivprovidniku Qs displaystyle Q s stvoryuyetsya elektronami dirkami ta ionizovanimi domishkami Zaryad elektroniv Qn displaystyle Q n v inversnomu shari mozhna otrimati integruvannyam velichini qn displaystyle qn vid x 0 displaystyle x 0 do xi displaystyle x i de WF Wi displaystyle W F W i Qn q 0xindx displaystyle Q n q int 0 x i n dx Zminivshi zminnu integruvannya za dopomogoyu 2 znahodimo Qn q usuFnie uF u du dxdu qniLD2 usuFeu uFushuF ch uF u chuFdu displaystyle Q n q int u s u F frac n i e u F u du dx du frac qn i L D sqrt 2 int u s u F frac e u u F sqrt u mbox sh u F mbox ch u F u mbox ch u F du 17 Neobhidno vidznachiti sho tut neobhidno vikoristovuvati statistiku Fermi Diraka statistika Maksvella Bolcmana daye zavisheni rezultati koli riven Fermi blizkij do zoni providnosti abo znahoditsya v yiyi seredini Evektivna tovshina zbidnenoyi oblasti xd displaystyle x d viznachayetsya z rivnyannya Qs Qn qNxd displaystyle Q s Q n qNx d Tut pripuskayetsya sho pri x gt xd displaystyle x gt x d gustina ob yemnogo zaryadu rivna nulyu a pri x lt xd displaystyle x lt x d mayemo r qN displaystyle rho qN Koli zaryad inversnogo sharu malij u porivnyanni iz zaryadom zbidnenoyi oblasti xd Qs qN displaystyle x d approx Q s qN a u vipadku silnoyi inversiyi velichina xd displaystyle x d staye praktichno nezalezhnoyu vid Qs displaystyle Q s i nablizhuyetsya do granichnogo znachennya xdm displaystyle x dm xdm 4ϕFϵsqN 4ϵsq N bln Nni displaystyle x dm sqrt frac 4 phi F epsilon s qN approx sqrt frac 4 epsilon s q N beta ln frac N n i 18 Dlya kremniyu pri kimnatnij temperaturi v diapazoni koncentracij domishok N 1012 1016cm 3 displaystyle N 10 12 10 16 cm 3 mozhna koristuvatisya nastupnim nablizhenim spivvidnoshennyam xdm mm 1013 N displaystyle x dm mu m sqrt frac 10 13 N 19 Eksperimentalni metodi doslidzhennya poverhni napivprovidnikaMDN struktura MDN struktura ce ploska trisharova struktura sho skladayetsya z tonkogo sharu metalu trohi tovshogo sharu dialektrika ta tovstogo sharu napivprovidnika metal dielektrik okisel napivprovidnik U vilnij Prirodi ne zustrichayetsya Zvidsi vitoki deyakoyi znevagi yak do samoyi MDN strukturi ta efekta polya pov yazani zi shtuchnistyu samoyi strukturi ta yavish sho v nij sposterigayutsya Naspravdi MDN struktura ye idealnij fizichnij ob yekt hoch i shtuchnij v yakomu legko realizuyetsya odnoridnist elektrichnogo polya v atomah realizuyetsya idealna izotropnist Zvidsi takozh viplivaye yiyi idealnist dlya doslidzhennya efekta polya na poverhni napivprovidnika i vsih tih poputnih yavish klasichnih ta kvantovih sho pov yazani z cim efektom Vpershe MDN struktura bula otrimana na praktici v 1960 roci pislya uspishnoyi realizaciyi tehnologiyi pasivaciyi kremniyu Kangom ta Atalloyu V ramkah ciyeyi tehnologiyi MDN struktura stvoryuvalas v odnomu tehnologichnomu procesi spershu poverhnya kremniyu okislyuvalas a potim uzhe na okisel napilyuvalas metalizaciya Zavdyaki yedinomu procesu metalichnij elektrod praktichno buv ekvidistantnij poverhni rozdilu okisel kremnij sho zabezpechuvalo odnoridnist elektrichnogo polya na vsij ploshi MDN strukturi Na osnovi cih MDN struktur buli vigotovleni pershi MDN tranzistori Slid vidznachiti sho trivialne vrahuvannya statistiki Fermi Diraka zamist Maksvella Bolcmana ne vivodit teoriyu za mezhi napivklasichnogo pidhodu Bilshe togo navit vrahuvannya t z trikutnoyi potencijnoyi yami na poverhni napivprovidnika sho privodit do poyavi diskretnih rivniv energiyi u zoni providnosti valentnij zoni takozh ne vivodit za vkazani mezhi Osnovnoyu osoblivistyu MDN strukturi ye te sho na poverhni rozdilu dielektrik napivprovidnih indukuyetsya p n perehid v yakomu nosiyi zaryadu mayut vlastivosti dvovimirnoyi 2D sistemi povedinka yakoyi do sih pir praktichno ne vivchena Zvidsi i t z nespodivanka z vidkrittyam kvantovogo efektu Hola ploskogo atomu i t i Yemnist MDN strukturi Poverhneva providnist MDN strukturi Yaksho na poverhni napivprovidnika v MDN strukturi stvoreni omichni kontakti to vimiryuyuchi providnist mizh nimi v zalezhnosti vid naprugi zmishennya mozhna otrimati ryad korisnih vidomostej pro vlastivosti poverhni Cej metod doslidzhennya buv vikoristanij v klasichnih eksperimentah Shokli ta Pirsoena Najprostishij shlyah obchislennya poverhnevoyi providnosti polyagaye v znahodzhenni nadlishkovoyi poverhnevoyi gustini elektroniv ta dirok Dn displaystyle Delta n i Dp displaystyle Delta p v funkciyi poverhnevogo potencialu Poznachayuchi cherez n0 displaystyle n 0 ta p0 displaystyle p 0 gustini nosiyiv zaryadu u vipadku ploskih zon u 0 displaystyle u 0 mozhna zapisati Dp 0 p p0 dx Dn 0 n n0dx displaystyle Delta p int 0 infty p p 0 dx Delta n int 0 infty n n 0 dx de p0 nieuF p nieuF u n0 nie uF n nieu uF displaystyle p 0 n i e u F p n i e u F u n 0 n i e u F n n i e u u F abo Dp us0nieuF e u 1 du dxdu Dn us0nie uF eu 1 du dxdu displaystyle Delta p int u s 0 frac n i e u F e u 1 du dx du Delta n int u s 0 frac n i e u F e u 1 du dx du Tut viraz dlya du dx displaystyle du dx buv predstavlenij formuloyu 6 Yaksho pripustiti sho nosiyi zaryadu ne zahoplyutsya poverhnevimi pastkami todi zmina poverhnevoyi providnosti bude virazhena yak Ds q Dnmn Dpmp qni us0mn e uF eu 1 mp euF e u 1 du dxdu displaystyle Delta sigma q Delta n mu n Delta p mu p qn i int u s 0 frac mu n e u F e u 1 mu p e u F e u 1 du dx du de mn displaystyle mu n ta mp displaystyle mu p efektivni ruhlivosti nosiyiv zaryadu yaki zalezhat v zagalnomu vipadku vid us displaystyle u s Zalezhnist Ds us displaystyle Delta sigma u s dlya Si ta Ge bula obchislena ryadom avtoriv Tut lishe varto uvagi te sho velichina Ds displaystyle Delta sigma dlya legovanogo napivprovidnika uF 1 displaystyle u F gg 1 maye minimum pri us 2uF ln mp mn displaystyle u s approx 2u F ln frac mu p mu n Grafichne predstavlennya ciyeyi zalezhnosti provodyat dlya vipadku mp mn m const us displaystyle mu p mu n mu const u s Tut rist providnosti pri u lt 0 displaystyle u lt 0 vidpovidaye rezhimu akumulyaciyi pri u gt 0 displaystyle u gt 0 z viddalennyam rivnya Fermi vid verhu valentnoyi zoni koli providnist padaye a potim znovu rizko zrostaye za rahunok utvorennya inversnogo sharu Yaksho vikoristati vipryamlyayuchi kontakti pri vimiryuvanni providnosti todi velichina Ds displaystyle Delta sigma viznachayetsya nosiyami zaryadu odnogo tipu Tomu v pidintegralnih virazah slid brati tilki odin iz skladovih Doslidzhennyu efektivnoyi ruhlivosti m displaystyle mu nosiyiv zaryadu v pripoverhnevih sharah napivprovidnika prisvyacheno bagato teoretichnih ta eksperimentalnih prac Dzh Shrifferom bula rozvinuta klasichna teoriya poverhnevoyi ruhlivosti z yakoyi viplivaye sho za rahunok dodatkovogo rozsiyuvannya nosiyiv na granici rozdilu dielektrik napivprovidnik ta vplivu elektrichnogo polya velichina m displaystyle mu padaye z rostom poverhnevogo potencialu i zavzhdi zalishayetsya menshoyu vid ruhlivosti v ob yemi napivprovidnika Potim teoriya Shriffera bula vdoskonalena shlyahom vvedennya v rozglyad anizotropiyi kristalu dzerkalnogo vidobrazhennya nosiyiv vid poverhni ta ryadu inshih efektiv prote rezultati rozrahunkiv pogano zbigayutsya z eksperimentalnimi danimi Osnovna prichina cih rozhodzhen polyagaye v tomu sho klasichnij pidhid do problemi poverhni ne ye spravedlivij oskilki tut mi mayemo malu tovshinu sharu v yakomu ruhayutsya nosiyi zaryadu Cya tovshina ye velichina odnogo poryadku z dovzhinoyu hvili de Brojlya i tomu nayavnist silnogo elektrichnogo polya privodit do poyavi kvantovih yavish Chiselni eksperimenti po doslidzhennyu poverhnevoyi ruhlivosti v yakih osobliva uvaga pridilyalas stabilnosti ta vidtvoryuvanosti rezultativ pokazali sho v inversnih sharah znachennya mn displaystyle mu n ta mp displaystyle mu p priblizno vdvichi menshe nizh v ob yemi napivprovidnika i ne zalezhat vid elektrichnogo polya Poverhneva ruhlivist osnovnih nosiyiv yaka vivchalas na MDN strukturah v rezhimi akumulyaciyi desho perevishuye ruhlivist v inversnih sharah Pri zbilshenni elektrichnogo polya znachennya m displaystyle mu padayut povilnishe nizh peredbachaye teoriya MDN tranzistoriLiteraturaLilienfeld J E Method and Apparatus for Controlling Electric Currents US Patent 1745175 1930 lt january Heil O Impruvements in or Relating to Electric Amplifiers and other Control Arrangements UK Patent 439457 1935 December Bardeen J Phys Rev 71 1947 p 717 Shokley W Pearson G L Modulation of Conductance of Thin Films of Semiconductors by Surface Charges Phys Rev 1948 74 July p 232 233 Atalla M M Tannenbaum E Scheiber E J Stabilization of Silicon Surfaces by Thermally Grown Oxides Bell Syst Tech J 1959 38 May p 749 783 Kahng D Atalla M M Silicon Silicon Dioxide Field Induced Devices Solid State Device Research Conference Pittsburgh Pa 1960 June Hofstein S R Heiman F P The silicon Insulated Gate Field Effect Transistor Proc IEEE 1963 51 September p 1190 1202 Ihantola H K J Moll J L Design Theory of a Surface Field Effect Transistor Solid State Electronics 1964 7 June p 423 430 Sah C T Characteristics of the Metal Oxide Semiconductoe Transistor IEEE Trans Electron Devices 1964 ED 11 July p 324 345 Bonch Bruevich V L Kalashnikov S G Fizika poluprovodnikov M Nauka 1977 672 s Kobbold R Teoriya i primenenie polevyh tranzistorov Leningrad Energiya 1975 304 s