11MOSFET基础(MOS结构,CV特性).ppt

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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型衬底(1),负栅压情形,导带底能

2、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势表示,采用单边突变结的耗尽层近似,P

3、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厚度了解阈值反型点条件常用器件掺杂范围,15,

4、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：degenerate 退化，衰退,19,11.1 MO

5、S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,Vox0+s0=-ms,零栅压时：,单位面积电荷数,金属上的电荷

6、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，且与Qss 的相关性变弱,27,11.1 MOS电容 阈值电压:导通类型,VTN

7、0MOSFET为增强型VG=0时未反型，加有正栅压时才反型,VTN0MOSFET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 MOS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

8、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

9、 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

10、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,