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1、西安电子科技大学 XIDIAN UNIVERSITY 10.金属氧化物半导体场效应晶体管基础 10.1双端MOS结构,2019/11/11,1,场效应器件物理,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 本节内容,1.1.1 能带图 1.1.2 耗尽层厚度 1.1.3电荷分布 1.1.4功函数差 1.1.5 平带电压 1.1.6 阈值电压,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 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,MOS结构具有Q随V变化的电容效应，形成MOS电
2、容,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 平行板电容,平行板电容： 上下两金属极板，中间为绝缘材料 单位面积电容: C= 外加电压V，电容器存储的电荷：Q= ，氧化层两侧电场E= MOS结构：具有Q随V变化的电容效应， 形成MOS电容,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 实际的铝线-氧化层-半导体,（M:约10000A O:250A S:约0.51mm）,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 理想MOS 电容结构特点,绝缘层是理想的，不存在任何电荷，绝对不导电； 半导体足够
3、厚，不管加什么栅电压，在到达接触点之前总有一个零电场区（硅体区） 绝缘层与半导体界面处不存在界面陷阱电荷； 金属与半导体之间不存在功函数差。,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 能带图,能带图： 描述静电偏置下MOS结构的内部状态，分价带、导带、禁带 晶体不同，能带结构不同，能带宽窄，禁带宽度大小不同 金属（价带、导带交叠：EF）、氧化物（Eg大）、半导体（ Eg 小） 半导体掺杂类型不同、浓度不同，EF的相对位置不同,导带底能级,禁带中心能级,费米能级,价带顶能级,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面能带
4、图:p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,负栅压多子积累状态 金属一侧积累负电荷，半导体一侧感应等量正电荷 外栅压产生从半导体指向金属的电场 电场作用下，体内多子顺电场方向被吸引到S表面积累 能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯，,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(1),零栅压情形,零栅压平带状态 理想MOS电容： 绝缘层是理想的，不存在任何电荷； Si和SiO2界面处不存在界面陷阱电荷； 金半功函数差为0。 系统热平衡态，能带平，表面净电荷为0,2019/11/11,XIDIAN UNIVE
5、RSITY,1.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2),小的正栅压情形,(耗尽层),小的正栅压多子耗尽状态 电场作用下，表面多子被耗尽，留下带负电的受主离子，不可动， 且由半导体浓度的限制，形 成一定厚度的负空间电荷区xd 能带变化： P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯 xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度 正栅压，增大的电场使更多的多子耗尽， xd，能带下弯增加,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2),大的正栅压反型状态 能带下弯程度，表面 EFi 到 EF下，表面具n型。 栅压增加，更多的多子被耗尽，P衬表面Na
6、-增多， 同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面出现电子积累，反型层形成 栅压，反型层电荷数增加，反型层电导受栅压调制 阈值反型后， xd最大值XdT不再扩展。,大的正栅压情形,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(1),正栅压情形,零栅压情形,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 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,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.1 能带图 需掌握内容,N型和P型半导体表面状态随外加栅压的物理变化过程 会画相应各状态能
7、带图,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.2 耗尽层厚度 本节内容,耗尽层厚度公式 耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因 半导体表面状态和表面势的关系 空间电荷层电荷与表面势的关系,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面耗尽情形,费米势：半导体体内费米能级 与禁带中心能级之差的电势表示， 表面势 ：半导体表面电势与体内电势之差， 能级的高低代表了电子势能的不同，能级越高，电子势能越高 表面能带有弯曲，说明表面和体内比：电子势能不同，即电势不同， 采用单边突变结的耗尽层近似，耗尽层厚度：,P型衬底,禁
8、带中心能级,费米能级,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面电荷面电荷密度,一块材料，假如有均匀分布的电荷，浓度为N，表面积为S，厚度为d 材料总电荷：Q= 表面S单位面积内的电荷（面电荷密度）：Q= MOS电容，耗尽层和反型层均在氧化层下方产生， 表面积即栅氧化层面积 耗尽层电荷面电荷密度：QSD= eNa Xd 反型层电荷面电荷密度： Qinv = ens Xn,S,d,N,d,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,
9、1.1 MOS电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系,反型层电荷浓度：随表面势指数增加,P型衬底,阈值反型点： 表面势= 2倍费米势，表面处电子浓度=体内空穴浓度 阈值电压： 使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面反型情形,阈值反型点表面电荷特点： 浓度： ns =PP0； 厚度： 反型层厚度Xinv耗尽层厚度Xd 反型层电荷Qinv= ens Xinv Qdep = eNa Xd,P型衬底,例如：若Na=1016/cm3，栅氧厚度为30nm，计算可得：fp=0.348V， Xd0.3m，Xd 4
10、nm，由此得 Qdep=-5.510-8/cm2, Qinv = -6.510-10/cm2 因此表面电荷面密度为： Q-=Qdep+QinvQdep,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2),阈值反型后，VG半导体表面进入强反型状态 xd达到最大值XdT不再扩展： 表面处总的负电荷面密度Q-=Qdep+Qinv 阈值反型点后，若VGS（相对变大） 反型层电子电荷浓度在ns =PP0基础上随S指数迅速大量增加 而Qdep与S1/2, S较大时， Qdep增加微弱，近似不变 表面耗尽层宽度Xd基本不变，在阈值反型点开始 达到最大Xd
11、T MOS电容，阈值反型后，表面负电荷的增加主要由反型电子贡献,Qdep = eNa Xd，,2019/11/11,1.1 MOS电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,阈值反型点后：,表面势增加0.12V，则ns=100PP0，而Xdep只增加约8%，很小,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 空间电荷区厚度:n型衬底情形,费米势,半导体衬底施主掺杂浓度,n型衬底,阈值反型点： 表面势= 2倍费米势，表面处空穴浓度=体内电子浓度 阈值电压： 使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压,表面空间电荷区厚
12、度,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 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,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.2 耗尽层厚度 需掌握内容,耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因 耗尽层厚度公式 半导体表面状态和表面势的关系 阈值反型点的定义 常用器件掺杂范围,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.4 功函数差 本节内容,功函数和功函数差定义 功函数差对半导体表面的影响 N+ POLY或 P+POLY与硅的功函数差 常用结构的功函数概况,2019/11/11,XIDIAN U
13、NIVERSITY,1.1 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,硅的电子亲和能,功函数：起始能量等于EF的电子，由材料内部逸出体 外到真空所需最小能量。 金属的功函数： 半导体的功函数 金半功函数差（电势表示）,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:MOS结构的能带图,2019/11/11,修正的金属功函数,修正的硅的电子亲和能,二氧化硅的电子亲和能,二氧化硅的禁带宽度,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:MOS结构的能带图,MOS紧密接触，假设有外部导线连接M和S, MOS成
14、为统一的电子系统， 0栅压下热平衡状态的能带图？ MOS成为统一系统， 0栅压下热平衡状态有统一的EF SiO2的能带倾斜 半导体一侧能带弯曲 变化原因：金属半导体ms不为0,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:MOS结构的能带图,条件：零栅压，热平衡,接触之后能带图的变化过程： EF代表电子填充能级的水平，电子趋于填充低能级 MOS变为一个统一电子系统后，发生电子的转移，直到EF统一 能带下弯：半导体一侧电子增多 SiO2的能带倾斜：金属电子通过外导线到了半导体表面，则金属带正电， 半导体表面带负电,零栅压下氧化物二侧的电势差,零栅压下半导
15、体的表面势,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:计算公式,功函数差使二者能带发生弯 曲，弯曲量之和是金属半导 体的功函数差。,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:n掺杂多晶硅栅,0,简并：degenerate 退化，衰退,P-Si,近似相等,n+掺杂至简并,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:p掺杂多晶硅栅,0,p+掺杂至简并,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:n型衬底情形,负栅压的大小,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:与掺杂浓度的关系,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.4 功函数差 需掌握内容,功函数和功函数差定义 MOS系统接触前的能带图 MOS系统接触后的能带图变化和原因 不用金属,而用N+ POLY或 P+POLY功函数差如何算? 常用结构的功函数概况,2019/11/11,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.5 平带电压 本节内容,半导体表面能带弯曲可能原因和物理过程 平带电压定义 平带电压推导 平带电压
