Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
этом заземлена), реализуется вольт-амперная характеристика с большим
значением импеданса (прибор находится в состоянии "выключено"). При
достаточно большом напряжении (напряжении переключения Vs) прибор резко
переключается в состояние с большим током и низким напряжением (в
состояние "включено"). Переключение
W
I
Т *
-ЛШЖрЙИИИ,
Эпитаксиальный
п-слой
Металлический
электрод
Тонкий слой
Подложка р*~ типа
диэлектрика
а
I
1 d Включено
^(Ih,Vh) J
с
а о т
Выключено
S'
Рис. 27. Переключающий МДП-диод (о) и его S-образная волы-амперная
характеристика (б).
>34
Глава 9
происходит либо благодаря расширению приповерхностного обедненного слоя
вплоть до границы р+-/г-перехода (прокол п-слоя), либо благодаря
лавинному пробою вблизи поверхности "-слоя [49]. К достоинствам
переключающего МДП-диода относятся совпадение уровня токов и напряжений с
уровнем, который используется в цепях цифровой техники, высокая скорость
переключения (1 не и меньше) и высокая чувствительность напряжения
переключения Vs к оптической или электрической инжекшш. Впервые такой
диод был изготовлен из кремния с использования Si02 в качестве
туннельного диэлектрика. Эффект переключения наблюдался также при
использовании других диэлектриков (например, Si3N4) и толстых слоев
поликристаллического кремния. Выло показано, что, так же как в тиристоре
(гл. 4), инжекция носителей в /г-слой через третий контакт контролирует
величину напряжения переключения.
Для того чтобы понять эффект переключения, рассмотрим энергетические
диаграммы, приведенные на рис. 28 [501. На рис. 28, а показана диаграмма
идеального диода в состоянии теплового равновесия, а на рис. 28, б -
аналогичная диаграмма для случая, когда на металлический электрод подано
положительное напряжение. Если проводимость туннельного диэлектрика
гораздо выше, чем проводимость обратносмещенного р+-/г-перехода, то
большая часть приложенного напряжения падает на р+-я-переходе. При этом
вольт-амперная характеристика прибора практически та же, что и для
обратносмещенного р+- п-перехода, и определяется генерацией носителей в
обедненном слое:
где nt - собственная концентрация носителей, %8 - время жизни неосновных
носителей, Wj - ширина обедненного слоя, Nd - концентрация доноров в я-
слое, Vbt - контактная разность потенциалов, V - приложенное напряжение.
Поведение этого тока иллюстрируется участком кривой 0а вольт-амперной
характеристики, приведенной на рис. 27, б.
При увеличении отрицательного напряжения на электроде (рис. 28, в)
свободные электроны вытягиваются из эпитаксиального слоя через р+-я-
переход и обедненный слой под электродом расширяется. При генерации
электронно-дырочных пар в этом слое электроны вытягиваются из прибора
через р*-я-переход, а дырки подтягиваются к границе раздела SiOa-Si. В
случае толстого слоя окисла (d ^ 50 А) дырки накапливаются у границы
раздела и инвертируют поверхность. Если же слой окисла достаточно тонкий,
дырки туннелируют через него. Тогда при увеличении напряжения происходит
обеднение поверхности п-слоя
Туннельные приборы
135
d W
41-I
Ibf
f
'Ey rP
r;Crr
a
К
1
FM
ys
Область
обеднения
в
1
\Область ~^Хр обеднения
Е(tm)Ж
tyl
С
FM'
№
yVox
-rZfn
X
~5гТу-гг
1р
Рис. 28. Энергетические диаграммы переключающего МДП-диода при различных
напряжениях [50].
вместо инверсии. При этом генерационный ток определяется выражением,
аналогичным выражению (51), но в последнем множитель (V + Vbi)^2
заменяется на (if>a)i/2, где - величина поверхностного потенциала. Этот
ток также слабо зависит от напряжения (участок кривой 0b на рис. 27, б).
Если приложено достаточно большое напряжение, например
V •=; Vs (напряжение переключения), обедненный слой под окис-
136
Глава 9
лом расширяется вплоть до р+-"-перехода (рис. 28, г), и происходит прокол
перехода. Напряжение прокола равно
у SOjiV-J&Z (52)
где W - толщина эпитаксиального слоя "-типа, WJ0 - толщина обедненного
слоя р+-"-перехода при нулевом смещении. При проколе уровень инжекции
дырок из перехода возрастает экспоненциально с увеличением смещения
перехода. В первый момент после прокола величина поля в окисле
оказывается недостаточной для того, чтобы большой поток инжектированных
дырок мог туннелировать через диэлектрик, поскольку при этом ток
ограничен туннелированием. Следовательно, большое увеличение напряжения
приведет к накоплению дырок на границе раздела Si-Si02. Это накопление
переведет поверхность из глубокого обеднения в область инверсии (рис. 28,
д); при этом \j)a и напряжение на приборе уменьшаются. Падение напряжения
на окисле увеличится, вследствие чего возрастет ток электронов,
туннелирующих из металла. Этот ток увеличит смещение на р+-"-переходе.
Данный механизм обеспечивает положительную обратную связь и приводит к
появлению на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным
дифференциальным сопротивлением (участок кривой Ьс на рис. 27, б). Из
