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1、16 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,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
2、 E：极板间的电场 V：外加电压,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
3、内部电场逐渐减弱，直到其边界，才基本被屏蔽。 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,
4、电子能量,空穴能量,理想MOS结构（Ideal MOS 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
5、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
6、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
7、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（ Inversion）,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（Strong Inversion）,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
8、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,Hole Accumulation,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
9、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
10、势、栅压的变化关系。 平带附近 平带：理想MOS结构，栅压VG0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，表面电荷密度Qs随表面势 的变化。,LD: debye Length,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 MO
11、S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
12、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,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
13、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（VGVFB）和VFB两部分组成的，前者相当于理想CV中的VG，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VGVFB 0，电容为平带电容CFB。即当电压VGVFB时，电容才是CFB 。这表明，功函数差使理想CV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
14、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CV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
15、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：,谢谢观看！ 2020,
