Расчет электрофизических характеристик структуры метал-диэлектрик-полупроводник
Курсовой проект - Компьютеры, программирование
Другие курсовые по предмету Компьютеры, программирование
Введение
Основной задачей курсовой работы по дисциплине Физика полупроводников и диэлектриков является выяснение физической сущности явлений и процессов, лежащих в основе работы различных полупроводниковых структур и дискретных полупроводниковых приборов, а также элементов интегральных микросхем (ИМС); приобретение практических навыков расчета электрофизических характеристик полупроводниковых структур; ознакомление со значениями параметров полупроводниковых материалов и их размерностями и развитие навыков самостоятельной работы с научно-технической литературой.
Тема данной курсовой работы является актуальной, так как современный научно-технический прогресс неразрывно связан с расширением масштабов применения радиотехнических систем и систем телекоммуникаций. Составной частью этих систем является радиоэлектронная аппаратура, содержащая огромное количество радиокомпонентов. Полупроводниковая электроника интенсивно развивалась уже с начала 30-х годов. Ученые исследовали физические процессы в полупроводниках и влияние примесей на эти процессы. Была разработана квантовая теория полупроводников, введено понятие подвижных свободных мест кристаллической решетки полупроводника, получивших название дырок, создана теория генерации пар электрон-дырка. В 60-х годах были созданы первые интегральные схемы. Интегральные микросхемы предназначены для реализации подавляющего большинства аппаратурных функций. Их элементы выполнены и объединены внутри или на поверхности общей подложки, электрически соединены между собой и заключены в единый корпус. Все или часть элементов создаются в едином технологическом процессе с использованием групповых методов изготовления. А в конце 70-х годов появились сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие от 104 до 106 элементов на кристалле при размере элементов от 1 до 3 мкм [3].
Развитие радиотехники продолжается и по сегодняшний день, и будет продолжать совершенствоваться в будущем.
1. Описание физических процессов в заданной полупроводниковой структуре
Элементы полупроводниковой интегральной микросхемы - диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы - представляют собой совокупность различных полупроводниковых структур.
К таким полупроводниковым структурам относятся: контакты металл-полупроводник, электронно-дырочные переходы, структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП).
На электрофизических свойствах различных контактов основаны принципы действия подавляющего большинства ИМС.
На границе раздела между двумя различными по типу электропроводности полупроводниками или между полупроводником и металлом возникают потенциальные барьеры, что является следствием перераспределения концентрации подвижных носителей заряда между контактирующими материалами. Электрические свойства граничного слоя зависят как от значения, так и от полярности приложенного внешнего напряжения. Если граничные слои в полупроводниковых структурах обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, т.е. если их электрическое сопротивление при одной полярности напряжения больше, чем при другой, то такие слои называются выпрямляющими переходами.
Процессы, протекающие на поверхности полупроводника, оказывают существенное влияние на электрические параметры элементов интегральных схем. Наличие локальных поверхностных энергетических уровней вызывает образование поверхностного электрического заряда. При этом в приповерхностной области полупроводника появляется равный по значению и противоположный по знаку индуцированный заряд, т.е. появляются обогащенные, обедненные или инверсионные приповерхностные слои. Возникновением инверсионных слоев в значительной степени определяется эффект поверхностной проводимости и образование так называемых каналов.
Каналы могут формироваться и под действием поперечного внешнего электрического поля. Модулируя величину электропроводности канала, управляют величиной тока в полевых транзисторах на основе МДП-структур.
1.1 Основные понятия и уравнения твердотельной электроники
Температурный потенциал:
где k-постоянная Больцмана (); Т-абсолютная температура (при температуре Т=300К температурный потенциал имеет значение ), q - заряд электрона ().
Закон действующих масс:
где n - концентрация электронов; р-концентрация дырок; ni - концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике.
Закон справедлив в случае термодинамического равновесия, как для собственных, так и для примесных полупроводников.
Потенциал, характеризующий уровень Ферми в полупроводнике, равен:
где-потенциал, соответствующий середине запрещенной зоны полупроводника; и - объемные потенциалы.
Таким образом, согласно данным выражениям, в собственных полупроводниках (n=р=ni) уровень Ферми расположен в середине запрещенной зоны, в электронных полупроводниках (n>ni) - в верхней половине, а в дырочных (р>n) - в нижней половине запрещенной зоны.
Уровень Ферми одинаков во всех частях равновесной системы, какой бы разнородной она ни была, т.е. .
Закон полного тока в полупроводнике n-типа:
в полупроводнике р-типа:
где и dn/dxи dp/dx-градиент концентраций дырок и электронов; pи n