В останні роки велике місце в електроніці зайняли прилади,
що використовують явища в приповерхневому шарі напівпровідника. Основним
елементом таких приладів є структура
Метал-Діеллектрік-Напівпровідник/МДП /. Як діеллектріческой
прошарку між металом і напівпровідником часто використовують шар
оксиду, наприклад діоксид кремнію. Такі структури мають назву
МОП-структур. Металевий електрод звичайно наносять на діеллектрік
вакуумним розпиленням. Цей електрод називається затвором.

Якщо на затвор подати деяку напругу зміщення щодо
напівпровідника, то у поверхні напівпровідника виникає область
об'ємного заряду, знак якої протилежний знаку заряду на затворі.
У цій області концентрація носіїв струму може істотно
відрізнятися від їх об'ємної концентрації.

Заряджені приповерхневої області напівпровідника приводить до
появи різниці потенціалів між нею і об'ємом напівпровідника і,
отже, до викривлення енергетичних зон. При негативному
заряді на затворі, енергетичні зони згинаються вгору, тому що при
переміщення електрона з обсягу на поверхню його енергія
збільшується. Якщо затвор заряджений позитивно те зони згинаються
вниз.

Hа малюнку 1 показана зон-
ва структура n-полупроводні-
ка при негативному заряді на
затворі і приведені позначений-
ня основних величин, характе-
різующіх поверхню;-раз-
ність потенціалів між повер-
хностью і об'ємом полупровод-
ника; --вигин зон у повер-
хності; ................. -се-
Редіна забороненої зони. З
рисунка 2 видно, що в обсязі
напівпровідника відстань від
дна зони провідності до уров-
ня Фермі менше відстані від
рівня Фермі до стелі Вален-
тной зони. Тому рівноваги-
ва концентрація електронів
більше концентрації дірок: як
і повинно бути у n-полупровод-
ників. У поверхневому шарі
об'ємного заряду відбувається
іскревленіе зон і відстані
від дна зони провідності до
рівня Фермі в міру переміщень-
ня до поверхні безперервно
збільшується, а відстань до
рівня Фермі до стелі Вален-
тной зони безперервно
зменшується. У перетині АА ці
відстані стають однаковий-
вимі (..................) і
напівпровідник стає соб-
тиментом: n = p = n. Праворуч січі-
ня АА ............. , В сед-
наслідком чого p> n і полупровод-
нік стає полупроводні-
ком р-типу. У поверхні про-
разуется в цьому випадку повер-
хностний p-n перехід.

Часто вигин зон у поверх-
ності виражають в одиницях kT
і позначають Ys. Тоді ....................... .

При формуванні приповерхневої області напівпровідника можуть
зустрітися три важливих випадку: збіднення, інверсія та збагачення цієї
області носіями заряду. Ці випадки для напівпровідників n-і p-типу
представлені на рис. 3.

Збіднена область з'являється в тому випадку, коли заряд затвора
за знаком збігається зі знаком основних носіїв струму (рис.3 а, г). Дзв-
ний таким зарядом вигин зон призводить до збільшення відстані від
рівня Фермі до дна зони провідності в напівпровіднику n-типу і до
вершини валентної зони в напівпровіднику p-типу. Збільшення цього рас-
стояння супроводжується збіднінням приповерхневої області основними
носіями. При високій щільності заряду затвора, знак якого співп-
дає зі знаком заряду основних носіїв, у міру наближення до повер-
хності відстань від рівня Фермі до стелі валентної зони в-def-
водники n-типу виявляється менше відстані до дна зони провідності.
Внаслідок цього, концентрація неосновних носіїв заряду/дірок/у
поверхні напівпровідника стає вище концентрації основних носи-
телей і тип провідності цій області змінюється, хоча і електронів і
дірок тут мало, майже як у власному напівпровіднику. У самій по-
поверхні, проте, неосновних носіїв може бути стільки ж або да-
ж таки більше, ніж основних в обсязі напівпровідника. Такі добре проводячи-
щие шари у поверхні з типом провідності, протилежним об'ємно-
му, називають інверсійним (рис.3 б, д). До інверсійної шару вглиб від
поверхні примикає шар збіднення.

Якщо знак заряду затвора протилежний знаку заряду основних но-
СІТЕЛ струму в напівпровіднику, то під його впливом відбувається прітяже-
ня до поверхні основних носіїв і збагачення ними приповерхневої-
го шару. Такі шари називаються збагаченими (рис. 4 в, е).

При слабкому збагаченні або збіднінні приповерхневої області по-
лупроводніка її розмір визначається так званої Радіус Дебая
екранування:



де: .......- діелектрична проникність напівпровідника; ......< br /> -концентрація основних носіїв струму в ньому.


а протягом шару ...... напруженість електричного поля, по-
тенціал і зміна концентрації носіїв струму щодо обсягу
напівпровідника зменшується в ..... разів у порівнянні з їх значеннями на
поверхні.

У разі сильного збіднення товщину збідненого шару можна рассчі-
тать по формулі для збідненого шару в бар'єрі Шотки, замінивши в ній
... на ... .
Найбільш складно розрахувати структуру приповерхневого
шару з інверсійної областю.

У інтегральної електроніці МДН-структури широко використовуються для
створення транзисторів і на їх основі різних інтегральних мікроcхем.
На рис. 4 схематично показана структура МДН-транзистора з ізолюючим-
ванним затвором. Транзистор складається з кристала кремнію/наприклад
n-типу /, у поверхні якого дифузією/або іонної імплантацією/в
вікна в оксиді формуються р-області, як показано на рис. 4 а. Одну з
цих областей називають витоком, іншу - стоком. Зверху на них нано-
сят омічний контакти. Проміжок між областями покривають плівкою
металу, ізольованою від поверхні кристала шаром оксиду. Цей
електрод транзистора називають затвором. Hа кордоні між р-і п-облас-
тями виникають два р-п-переходу - істоковий та стоковий, які на ри-
Сунки 4 а. показані штрихуванням.

Hа рис. 4 б наведена схема включення транзистора в ланцюг: до істо-
ку під'єднують плюс, до стоку - мінус джерела напруги .... , До
затвору - мінус джерела .... . Для простоти розгляду будемо вва-
тать, що контактна різниця потенціалів, заряд в оксиді і поверхні-
тні стану відсутні. Тоді властивості поверхневої області, в
відсутність напруги на затворі, нічим не відрізняються від властивостей по-
лупроводніков в об'ємі. Опір між стоком і витоком дуже ве-
лико, так як стоковий р-п-перехід опиняється під зворотним зміщенням.
Подача на затвор негативного зсуву спочатку призводить до освітньої-
нію під затвором збідненій області, а при певній напрузі .....< br /> званому пороговим, - до утворення інверсійної області, з'єдную-
щей р-області витоку і стоку провідним каналом. При напругах на
затворі вище ...... канал стає ширшим, а опір стік-витік
- Менше. Розглянута структура є, таким чином,
КЕРУЮТЬ Резистори.

Однак опір каналу визначається тільки напругою на
затворі лише при невеликих напругах на стоці. Зі збільшенням .....< br /> носії з каналу йдуть у стоковий область, збіднений шар у стоко-
вого np-переходу розширюється і канал звужується (рис. 4, в). Залежить-
тість струму ..... від напруги на стоці ....... стає нелінійної.

При звуженні каналу число вільних носіїв струму під затвором
зменшується в міру наближення до стоку. Щоб струм в каналі був одним
і тим же в будь-якому його перетині, електричне поле вздовж каналу має
Можливо, в такому випадку, неоднорідним, його напруженість повинна рости в
міру наближення до стоку. Крім того, виникнення градієнта концен-
трація вільних носіїв струму уздовж каналу призводить до виникнення
дифузійного компоненти щільності струму.

При певній напрузі на стоці ........ канал у стоку перекритий-
ється, при ще більшому зсуві канал коротшає до витоку (рис.
4, г). Перекриття каналу проте не призводить до зникнення струму стоку,
оскільки в збідненим шарі, які перекрили канал, електричне поле тя-
немає дірки вздовж поверхні. Коли носії струму з каналу внаслідок
дифузії потрапляють в цю область, вони підхоплюються полем і перебраси-
вають до стоку. Таким чином, у міру збільшення напруги на стоці
чисто дрейфовий механізм руху носіїв струму уздовж каналу змінює-
ся дифузійно-дрейфовий.

Механізм протікання струму в МДН-транзисторі при зімкнутому каналі
має деякі спільні риси з протіканням струму в зворотно-зміщеному
n-p-переході. Нагадаємо, що в np-переході неосновні носії струму
потрапляють в область просторового заряду переходу внаслідок диферен-
зії і потім підхоплюють його полем.

Як показують теорія і експеримент, після перекриття каналу ток
стоку ....... практично насичується (рис. 5). Значення струму насичений-
ня залежить від напруги на затворі .....: чим вище ..... , Тим ширше
канал і тим більше струм насичення (на малюнку ......................).< br /> Це типово транзисторний ефект - напругою на затворі (у вхідній
ланцюга) можна керувати струмом стоку (струмом у вихідний ланцюга). Характер-
ною особливістю МДН-транзисторів є те, що його входом служить
конденсатор, утворений металевим затвором, ізольованим від по-
лупроводніка. Струм витоку затвора типових МДН-транзисторів становлять
........ А і можуть бути зменшені до ...... А. У розглянутому тран-
зісторе використовується ефект поля, тому такі транзистори називають-
ся Полевой. На відміну від транзисторів типу pnp чи npn, в кото-
яких відбувається Инжекция неосновних носіїв струму в базову область, в
польових транзисторах струм переноситься тільки основними носіями. Пое-
тому такі транзистори називаються також уніполярні.

На межі розділу напівпровідник - діеллектрік в забороненої зо-
НЕ напівпровідника існують енергетичні стану, звані по-
верхностнимі або, точніше, станами границі розділу (рис. 6). Хвилі-
ші функції електронів в цих станах локалізовані поблизу повер-
хності розділу в областях порядку постійної грати. Причина виник-
новенія розглянутих станів полягає в неідеальної границі раз-
справи напівпровідник - діеллектрік (оксид). На реальних межах поділу-
ла завжди є деяка кількість обірваних зв'язків та порушується
стехіометрії складу оксидної плівки діеллектріка. Щільність і характерним
тер станів границі розділу істотно залежать від технології ство-
ня діеллектріческой плівки.

Наявність поверхневих станів на межі поділу напівпровідник
- Діеллектрік негативно позначається на параметрах МДН-транзистора,
тому що частина заряду, наведеного під затвором в напівпровіднику, зах-
вативается на ці стани. Успіх у створенні польових транзисторів
розглянутого типу був досягнутий після відпрацювання технології ство-
ня плівки ....... на поверхні кремнію з малою щільністю перебуваючи-
ний кордону розділу .......... .

У самому оксиді кремнію завжди існує позитивний "вбудований-
ний "заряд, природа якого до цих пір до кінця не з'ясована. Знач-
ня цього заряду залежить від технології виготовлення оксиду і часто
виявляється настільки великим, що якщо в якості підкладки ис-
користується кремній р-типу провідності, то у його поверхні утворює-
ся інверсійний шар вже при нульовому зсуві на затворі. Такі тран-
зістори називаються транзисторами з ВБУДОВАНИМ КАНАЛОМ. Канал у них
зберігається навіть при подачі на затвор деякого негативного зміщений-
вання. На відміну від них у транзисторах, виготовлених на п-підкладці, в
якої для освіти інверсійного шару потрібно занадто великий
заряд оксиду, канал виникає тільки при подачі на затвор напруги
....., Що перевищує деякий порогове напруга ....... . За знаком
це зміщення на затворі повинно бути негативним для транзисторів з
п-підкладкою і позитивним у випадку р-підкладки.

До уніполярні транзисторам відносять також транзистори з керую-
щим п-р-переходом, структуру яких схематично представлена на рис.
7, а. Канал провідності в таких транзисторах являє собою вузьку
область у вихідному напівпровіднику, не зайняту збідненим шаром п-р-пе-
рехода. Шириною цій області можна керувати, подаючи на п-р-перехід
зворотне зміщення. Залежно від цього зміщення змінюється початкова
опір стік-витік. Якщо при незмінній напрузі на р-п-пере-
ході зсув стік-витік збільшувати, канал звужується до стоку і ток
стоку зростає з напругою повільніше, ніж при малих зсувах. При пе-
рекритіі каналу (мал. 7, б) струм стоку виходить на насичення. Як меха-
нізм протікання струму по каналу такого транзистора, так його вихідні
характеристики дуже близькі до характеристик МДН-транзистора.

Вхідний опір польових транзисторів на низьких частотах є при-
ляется чисто ємнісним. Вхідна еікость ..... утворюється затвором і
неперекритой частиною каналу з боку витоку. Так як для заряду цієї
ємності струм повинен протікати через неперекритую частина каналу з опору-
тівленіем ....... , То собмтвенная стала часу транзистора рав-
на .......... . Це час, однак, дуже мало, і в інтегральних схе-
мах, що застосовуються, наприклад, у цифрової обчислювальної техніки, котрі три-
ність перехідних процесів визначається не їм, а паразитними ем-
кістками схеми і вхідними ємностями інших транзисторів, підключених до
виходу даного. Внаслідок цього при виготовленні таких схем стремено-
ся зробити вхідну ємність якомога меншою за рахунок зменшення довжин-
ни каналу і суворого суміщення кордонів затвора з кордонами стоку і іс-
струму.

При великих напругах на стоці МДН-транзистора область об'ємно-
го заряду від стокової області може поширитися настільки сильно,
що канал взагалі зникне. Тоді до стоку кинуться носії з сильно
легованої істоковой області, так само як при "проколі" бази
біполярного транзистора (см "Твердотільна електроніка" Г. І. Єпіфанов,
Ю. А. Мома # 12.2 і ріс.12.19).