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1、16MOS结构基础 第一节半导体表面空间电荷区及反型层第二节MOS结构的电容 电压特性第三节非理想MOS结构 第一节半导体表面空间电荷区及反型层 两端MOS结构表面电场效应 定性描述表面空间电荷区外加偏压的影响表面电场效应 定量公式与栅压的关系 阈值电压 1 两端MOS基本结构 MOS Metal Oxide Semiconductor 栅 金属 重掺杂多晶硅 两端MOS结构的透视图 两端MOS结构的截面图 衬底 栅氧化层 欧姆接触 MOS结构的物理性质可以借助简单的平行板电容器加以解释和理解 普通平板电容的结构与特性 单位面积的电容C定义为 Q 极板上单位面积的电荷E 极板间的电场V 外加电
2、压 2 MOS结构与平板电容 第一节半导体表面空间电荷区及反型层 两端MOS结构表面电场效应 定性描述表面空间电荷区外加偏压的影响表面电场效应 定量公式与栅压的关系 阈值电压 表面空间电荷区的形成 两端MOS结构 当在金属与半导体之间加电压后 在金属与半导体相对的两个面上会产生数值相等 符号相反的感生电荷 但是 与普通平板电容不同的是 在MOS结构中 电荷在两个极板上的分布不同 在金属中 自由电子密度很高 电荷基本上分布在一个原子层的厚度内 空间电荷区的形成是由于载流子的过剩或欠缺造成的 与空间电荷的存在相联系的是电场的变化 在空间电荷区内 从表面到内部电场逐渐减弱 直到其边界 才基本被屏蔽
3、空间电荷的电势也要逐渐变化 定义半导体表面与体内的电势差为表面势 用 s表示 在半导体内 电荷则要扩展到相当厚度的一层 这个带电的表面层称为空间电荷区 电力线 金属表面单位面积电荷 空间电荷区单位面积电荷 由电子 空穴和电离杂质构成 半导体表面的性质取决于其中哪一个起主导作用 空间电荷区的形成是由于载流子的过剩或欠缺造成的 按照空间电荷载流子密度的增减 以及载流子的型号与体内是否相同 可以区分为三种情况 积累层 耗尽层和反型层 表面空间电荷区的宽度 空间电荷区描述 符号 空间电荷区描述 能带图 能带向下弯曲 电子势阱 空穴势垒 能带向上弯曲 电子能量 空穴能量 理想MOS结构 IdealMOS
4、Capacitor 理想MOS电容具有如下特点 金属与半导体间功函数差为零在氧化层内没有任何电荷氧化层完全不导电氧化层与半导体界面处不存在任何界面态 理想MOS电容结构中半导体表面电荷完全由外加电压产生 理想MOS结构在外加偏压为零时的能带图 第一节半导体表面空间电荷区及反型层 两端MOS结构表面电场效应 定性描述表面空间电荷区外加偏压的影响表面电场效应 定量公式与栅压的关系 阈值电压 假设 金属栅是一个等电势区半导体均匀掺杂半导体足够后 不管加什么栅电压 在到达背面欧姆接触前总有一个零电场区域MOS电容是一个一维结构 所用变量仅是坐标x的函数 2 外加偏压的影响 当理想MOS加上正向或反向偏
5、压时 半导体表面可能有三种情况 多子积累表面耗尽表面反型下面以P型半导体为例说明 约定金属相对于半导体加正偏压时 取正值 反之取负值 积累层 耗尽层和反型层 多子积累 Accumulation 金属电极上加负的偏压 将在半导体表面感生正电荷 在P型半导体中 感生的正电荷就是被吸引到表面的空穴 这种堆积在表面的空穴成为积累层 金属电极上加负的偏压 金属的费米能级相对于半导体的费米能级升高 导致氧化硅和半导体表面能带有一个负的倾斜 向上弯曲 由于没有电流流动 所以在热平衡时 整个半导体有统一的费米能级 由此可以推断空穴浓度由体内表面增加 而且只要能带在表面略微上弯 空穴浓度就大量增加 所以积累层十
6、分集中在表面 通常可以忽略其厚度 hole 表面耗尽 Depletion 金属电极上加正的偏压 将在半导体表面感生负电荷 在电压较小时 主要是多子空穴被赶走 多子耗尽 留下带负电荷的电离受主离子 这时虽然有少子电子被吸引到表面 但是数目很少 没有什么影响 在这一阶段 电压的增加只是使更多的空穴被排走 负的电荷区加宽 金属电极上加正的偏压 金属的费米能级相对于半导体的费米能级下降 导致氧化硅和半导体表面能带有一个正的倾斜 向下弯曲 如图所示 它清楚的表明 这时表面空间电荷区的电子和空穴浓度均小于电离受主浓度 因此 表面空间电荷区是耗尽区 注意 整个半导体有统一的费米能级 表面反型 Inversi
7、on 随着电压的加大 负的空间电荷区逐渐加宽 同时被吸引到表面的电子也随着增加 当栅压到达某一阈值时 被吸引到表面的电子浓度迅速增大 在表面形成一个电子导电层 成为反型层 反型层形成以后 它成为感生电荷的主要方面 栅压再增加 主要是反型层的电子增加 电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加 耗尽层宽度达到最大值 Channel 表面强反型 StrongInversion 取半导体内的静电势为零参考零点取本征费米能级 空穴积累 能带上弯 平带表面耗尽 能带下弯 表面本征反型开始强反型 表面电子浓度表面空穴浓度 MOS结构的核心问题 在外电场作用下 半导体表面产生的耗尽区和反型层 使半导体表面开始强反
8、型时所需的栅压称为阈值电压 用VT表示 当栅压VG 0时 半导体没用能带弯曲 称为平带 可以标记为积累和耗尽的分界线 VG VT可以简单的做为耗尽和反型的过渡点 强反型后 表面势基本不再变化 表面耗尽区达到最大值 只是反型层载流子电荷随栅压增加 阈值电压的定义 HoleAccumulation P Si Metal 耗尽层 反型层 耗尽层 对于N型衬底 同样可以形成积累 耗尽和反型 其机理和P型是完全相似的 差别只是电荷 电场 和电位符号相反 能带图 偏压 电荷 状态 第一节半导体表面空间电荷区及反型层 两端MOS结构表面电场效应 定性描述表面空间电荷区外加偏压的影响表面电场效应 定量公式与栅
9、压的关系 阈值电压 目的 建立在直流偏置条件下理想MOS电容内部电荷密度 电场 电势的解析表达式 方法 求解泊松方程重点 阈值电压 反型层电荷 半导体表面 衬底 氧化硅 取半导体内 衬底 的静电势为零 一维泊松方程 P Si SiO2 1 严格求解 半导体内部 边界条件 表面电荷 与表面势 的函数关系图 P Si 300K 2 近似求解 目的 在一定的近似条件下 分析空间电荷区的宽度和空间电荷面密度随表面势 栅压的变化关系 平带附近平带 理想MOS结构 栅压VG 0时 半导体表面没有空间电荷区 这时 整个能带是平直的 称为平带 下面分析在平带附近 当MOS电容上加一个很小的偏压VG时 表面电荷
10、密度Qs随表面势的变化 LD debyeLength 耗尽层近似 空间电荷区的电场 空间电荷区的电位 表面势 耗尽区宽度 空间电荷区单位面积电荷 通常认为在表面势时 耗尽层假设成立 与栅电压关系 在理想MOS结构中 栅电压一部分降落在氧化层上 另一部分降在半导体上 表面耗尽区 表面反型时 表面反型后 MOS结构基础 第一节半导体表面空间电荷区及反型层第二节MOS结构的电容 电压特性第三节非理想MOS结构 MOS结构实际上构成一个电容 金属层和半导体是它的两个极板 伴随着金属电极上电压的变化 在半导体表面形成积累 耗尽和反型层 这一过程实质上是MOS电容的充电过程 由于MOS电容包含一个空间电荷
11、区的充放电 与PN结相似 其电容不是恒定的 对MOS电容进行测量 都是在一定的直流偏压之上叠加一个微小的交流电压信号 测量相应的充放电电流 这样测出的是微分电容 单位面积微分电容定义为极板电荷对所加栅电压的求导 电容的定义 MOS电容的等效电路 积累平带耗尽反型 MOS结构的C V曲线 P型衬底 反型层充放电时间 频率特性 高频和低频C V曲线 反型层随交流信号变化 耗尽层随交流信号变化 深耗尽 栅极电压迅速变化 反型载流子的产生跟不上栅压的变化 深耗尽 N型衬底MOS电容低频C V曲线 MOS结构基础 第一节半导体表面空间电荷区及反型层第二节MOS结构的电容 电压特性第三节非理想MOS结构
12、理想的MOS电容假设半导体表面的电场完全由外加栅压产生 实际的MOS结构并不是这样的 因为 金属和半导体的功函数不同氧化层中存在各种电荷在半导体和氧化层交界面存在界面态所有这些因素都将在半导体表面引起相应的电场 并影响MOS电容的C V特性 金属 半导体功函数差 接触电势差 由于功函数差 当栅压VG 0时 半导体表面已经存在空间电荷区 并使能带弯曲 在MOS电容的栅上加适当的电压就可以使表面空间电荷区消除 能带恢复平直 这个电压称为平带电压 用VFB表示 显然有 由于存在接触电位差 实际上加在MOS电容上的偏压VG可以看做是由 VG VFB 和VFB两部分组成的 前者相当于理想C V中的VG
13、后者抵消接触电位差 在理想MOS中 VG 0时的电容为平带电容 实际的MOS中 当VG VFB 0 电容为平带电容CFB 即当电压VG VFB时 电容才是CFB 这表明 功函数差使理想C V曲线 沿水平方向平移VFB 对C V特性的影响 界面陷阱和氧化物电荷 热氧化形成的Si SiO2系统中的各类电荷及分布 界面陷阱电荷Qit 位于Si SiO2界面 其能级位于禁带内 界面态密度 单位面积界面陷阱数 和晶面取向有关 硅 100 面Qit小于1010cm 2 氧化物陷阱电荷Qot 和二氧化硅中的缺陷有关 例如 在受到高能电子轰击或X射线辐照时 就可能产生这类电荷 这些缺陷分布在二氧化硅层内 可移
14、动离子电荷QM 诸如钠离子其它碱金属离子 带正电荷 来源于工艺过程沾污 能够在氧化层中移动 引起C V曲线沿电压轴向负向移动 氧化物固定电荷QF 位于Si SiO2界面约30埃的范围内 通常带正电荷 和氧化条件及Si的晶向有关 100 面固定电荷密度的典型值为1010cm 2 上述各类电荷是指单位面积中的有效净电荷 单位 C cm2 氧化物电荷对平带电压影响 假定氧化层内单位面积一个正的薄层电荷Q0 这个正电荷将感生出负电荷 其一部分在金属内 一部分在半导体内 为了实现平带 即在半导体内没有感生电荷 假定不存在功函数差 必需在金属上加负的电压 以在金属表面形成负电荷 Q0 把电力线全部吸引到金属而不进入半导体 相应的平带电压 界面陷阱电荷对平带电压影响 MOS电容中界面陷阱电荷的一般表现为引起C V特性曲线的扭曲和扩展 原因 界面陷阱能级一般分布在整个禁带范围 其电荷是可变的 随表面势变化 非理想MOS总结 功函数 氧化物电荷和界面陷阱电荷综合影响可以描述为 Vms QF QM会导致C V特性曲线相对理想理论曲线沿电压轴负向移动 Qit会使特性曲线发生扭曲或扩展 考虑到平带电压 MOS电容的阈值电压表示为
