Вольт-фарадная характеристика

Рассмотрим емкость МДП-стуктуры с полупроводником n-типа при изменении напряжения смещения на металлическом электроде при наложении переменного сигнала.

В режиме обогащения в МДП-структуре с полупроводником n-типа (плюс на металлическом электроде) электроны притягиваются к поверхности и в приповерхностном слое полупроводника возникает заряд Q_S притянутых электронов, по величине равный заряду Q_М, индуцируемому на металлическом электроде (рис. 5.3). С увеличением напряжения толщина заряженного слоя сохраняется практически неизменной и рост заряда Q_S происходит за счет повышения объемной плотности. Поэтому емкость структуры не зависит от приложенного напряжения.

В состоянии обеднения электроны отгоняются от поверхности полупроводника и в приповерхностном слое образуется неподвижный заряд ионизированных доноров Q_С= qN_Дd_П, где d_ОПЗ- толщина области поверхностного заряда (ОПЗ) (рис. 5.4). Емкость такой структуры будет складываться из емкостей двух последовательно соединенных конденсаторов: конденсатора образованного диэлектрическим слоем d_Д и конденсотора образованного обедненным слоем d_ОПЗ.

Емкости этих конденсаторов при единичной площади равны:

С_Д= , С_ОПЗ= .

Емкость С_ОПЗ зависит от падающей на полупроводнике разности потенциалов, так как с ее изменением меняется толщина обедненного слоя d_ОПЗ, играющая роль расстояния между обкладками конденсатора.

Емкость структуры в целом будет равна:

, (5.3.1)

С= . (5.3.2)

С ростом напряжения смещения ширина ОПЗ увеличивается, вследствие чего емкость С_ОПЗ уменьшается. При этом уменьшается и общая емкость. Это происходит до наступления инверсии. В состоянии инверсии к поверхности полупроводника притягиваются дырки, образуя положительный заряд Q_Р рис. 5.5. До наступления инверсии рост заряда в полупроводнике Q_П определяется ростом заряда ОПЗ и увеличением d_ОПЗ, а после наступления инверсии- ростом заряда Q_Р. Поскольку толщина инверсного слоя, образованного дырками почти не зависит от приложенного напряжения, то в состоянии инверсии емкость структуры не зависит от напряжения.

На рис. 5.6 показаны вольт-фарадные характеристики МДП-структуры. Минимум кривой С=f(U) соответствует образованию инверсного слоя и характеризуется напряжением инверсии U_uн. При высокочастотном сигнале не основные носители, в данном случае дырки, не успевают следить за сигналом, поэтому емкость полупроводника определяется емкостью ОПЗ и не зависит от заряда дырок, а так как после образования инверсного слоя ширина ОПЗ не меняется, то и С=f(U) остается постоянной. При низкочастотном сигнале не основные носители успевают следовать за переменным напряжением и емкость полупроводника определяется в этом случае зарядом дырок в инверсном слое, который быстро растет с напряжением. Следовательно возрастает и общая емкость структуры, вплоть до С@С_Д. Затем С не меняется с ростом напряжения, так как емкость структуры определяется емкостью С_Д, которая в этом случае меньше С_П емкости полупроводника.

Кроме рассмотренных в МДП-структуре может возникать заряд на поверхностных состояниях Q_SS и заряд в диэлектрике, который приводит к сдвигу ВФХ вправо или влево по оси напряжений.