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1、第十一章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础,1,11.1 双端结构 11.2 电容电压特性 11.3 基本工作原理 11.4 频率限制特性 11.5 技术 11.6 小结,11.1 双端MOS结构,11.1.1 能带图 11.1.2 耗尽层厚度 11.1.3 功函数差 11.1.4 平带电压 11.1.5 阈值电压 11.1.6 电荷分布,3,11.1 MOS电容 MOS电容结构,氧化层厚度,氧化层介电常数,Al或高掺杂的多晶Si,n型Si或p型Si,SiO2,4,实际的铝线-氧化层-半导体 （M:约10000A O:250A S:约0.51mm）,5,11.1 MOS电容 表面能带图:p
2、型衬底(1),负栅压情形,导带底能级,禁带中心能级,费米能级,价带顶能级,6,11.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2),小的正栅压情形,大的正栅压情形,(耗尽层),(反型层+耗尽层),7,11.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(1),正栅压情形,8,11.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(2),小的负栅压情形,大的负栅压情形,9,小节内容,11.1.1 能带图 随便画能带图,要知道其半导体类型 加什么电压往那里弯曲,10,11.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面耗尽情形,费米势,表面势,表面空间电荷区厚度,半导体表面电势与体内电势之差,半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电
3、势表示,采用单边突变结的耗尽层近似,P型衬底,11,11.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面反型情形,阈值反型点条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度,表面空间电荷区厚度,P型衬底,表面电子浓度：,体内空穴浓度：,栅电压=阈值电压,表面空间电荷区厚度达到最大值,12,11.1 MOS电容 空间电荷区厚度:n型衬底情形,阈值反型点条件： 表面势=费米势的2倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，栅电压=阈值电压,表面空间电荷区厚度,表面势,n型衬底,13,11.1 MOS电容 空间电荷区厚度:与掺杂浓度的关系,实际器件参数区间,14,小节内容,11.1.2 耗尽层厚度 耗尽情况 反型情况 会算其
4、厚度 了解阈值反型点条件 常用器件掺杂范围,15,11.1 MOS电容 功函数差:MOS接触前的能带图,金属的功函数,金属的费米能级,二氧化硅的禁带宽度,二氧化硅的电子亲和能,硅的电子亲和能,绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，,16,11.1 MOS电容 功函数差:MOS结构的能带图,条件：零栅压， 热平衡,零栅压下氧化物二侧的电势差,修正的金属功函数,零栅压下半导体的表面势,修正的硅的电子亲和能,二氧化硅的电子亲和能,17,11.1 MOS电容 功函数差:计算公式,内建电势差：,18,11.1 MOS电容 功函数差:n掺杂多晶硅栅(P-Si),0,近似相等,n+掺杂至简并,简并：d
5、egenerate 退化，衰退,19,11.1 MOS电容 功函数差:p掺杂多晶硅栅(P-Si),p+掺杂至简并,0,20,11.1 MOS电容 功函数差:n型衬底情形,负栅压的大小,21,11.1 MOS电容 功函数差:与掺杂浓度的关系,22,11.1 MOS电容 平带电压:定义,MOS结构中半导体表面能带弯曲的动因 金属与半导体之间加有电压（栅压） 半导体与金属之间存在功函数差 氧化层中存在净的空间电荷 平带电压 定义：使半导体表面能带无弯曲需施加的栅电压 来源：金属与半导体之间的功函数差，氧化层中的净空间电荷,单位面积电荷数,金属上的电荷密度,23,11.1 MOS电容 平带电压:公式,
6、Vox0+s0=- ms,零栅压时：,单位面积电荷数,金属上的电荷密度,24,小节内容,11.1.4 平带电压 来源 定义 如果没有功函数差及氧化层电荷,平带电压为多少? 如何算,25,11.1 MOS电容阈值电压:公式,阈值电压： 达到阈值反型点时所需的栅压,表面势=费米势的2倍,|QSDmax|=e Na xdT,忽略反型层电荷,26,11.1 MOS电容 阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系,P型衬底MOS结构,Qss越大，则VTN的绝对值越大； Na越高，则VTN的值（带符号）越大,Na很小时，VTN随Na的变化缓慢，且随Qss的增加而线性增加 Na很大时， VTN 随Na 的变化剧烈，
7、且与Qss 的相关性变弱,27,11.1 MOS电容 阈值电压:导通类型,VTN0 MOSFET为增强型 VG=0时未反型，加有正栅压时才反型,VTN0 MOSFET为耗尽型 VG=0时已反型，加有负栅压后才能脱离反型,P型衬底MOS结构,28,11.1 MOS电容 阈值电压:n型衬底情形,29,费米势,表面耗尽层最大厚度,单位面积表面耗尽层电荷,单位面积栅氧化层电容,平带电压,阈值电压,11.1 MOS电容 n型衬底与p型衬底的比较,p型衬底MOS结构,n型衬底MOS结构,阈值电压典型值,金属-半导体功函数差,30,11.1 MOS电容 表面反型层电子密度与表面势的关系,31,11.1 MO
8、S电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系,堆积,平带,耗尽,弱反型,强反型,32,小节内容,11.1.6 电荷分布 分布图,11.1.5 阈值电压 概念 电中性条件 与谁有关?如何理解? N型 P型及掺杂的关系,33,11.2节内容,理想情况CV特性 频率特性 氧化层电荷及界面态的影响 实例,34,11.2 C-V特性什么是C-V特性？,平带,电容-电压特性,35,11.2 C-V特性 堆积状态,加负栅压，堆积层电荷能够跟得上栅压的变化，相当于栅介质平板电容,36,11.2 C-V特性 平带状态,所加负栅压正好等于平带电压VFB，使半导体表面能带无弯曲,37,11.2 C-V特性 耗尽状态,加
9、小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅压的变化而变化，出现耗尽层电容,C相当与Cox与Csd串联,38,11.2 C-V特性 强反型状态(低频),加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层电荷跟得上栅压的变化,39,11.2 C-V特性 n型与p型的比较,p型衬底MOS结构,n型衬底MOS结构,40,11.2 C-V特性 反型状态(高频),加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅压变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电容对C有贡献。此时，耗尽层宽度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。,栅压频率的影响,41,小节内容,理想情况CV特性 CV特性概念 堆积平带耗尽反型下的概念 堆积平带耗尽反型下的计算
10、 频率特性 高低频情况图形及解释,42,11.2 C-V特性 氧化层电荷的影响,例图:如果Qss均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电,所以平带电压更负,43,11.2 C-V特性 界面陷阱的分类,被电子占据（在EFS之下）带负电，不被电子占据（在EFS之上）为中性,被电子占据（在EFS之下）为中性，不被电子占据（在EFS之上）带正电,（界面陷阱）,受主态容易接受电子带负电 正常情况热平衡不带电 施主态容易放出电子带正电,图11.32 氧化层界面处界面态示意图,44,界面态：半导体界面处允许的能态,11.2 C-V特性 界面陷阱的影响:堆积状态,堆积状态：界面陷阱带正电，C-V曲线左移，平带电压更负,例图:需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电,所以平带电压更负,施主态容易放出电子带正电,45,禁带中央：界面陷阱不带电，对C-V曲线无影响,11.2 C-V特性 界面陷阱的影响:本征状态,46,反型状态：界面陷阱带负电，C-V曲线右移，阈值电压更正。,11.2 C-V特性 界面陷阱的影响:反型状态,例图:需要额外牺牲三个正电荷来中和界面态的负电,所以阈值电压升高,受主态容易接受电子带负电,47,48,小节内容,氧化层电荷及界面态对C-V曲线的影响 氧化层电荷影响及曲线 界面态概念 界面态影响概念曲线 实例 如何测C-V曲线 如何看图解释出现的现象,49,