复旦大学(微电子)半导体器件第六章MOSC-V

第六章MOS电容•硅表面的悬挂键•表面束缚电子态•界面态•理想MOS电容•理想MOS电容中表面电荷和表面势的关系•表面电荷主要来源的转化•小信号理想MOS电容的C-V特性•实际MOS电容中有许多其他电荷•小信号实际MOS电容的C-V特性•从实际MOS电容的C-V特性可以得到的信息半导体器件的基本结构－金属/氧化层/半导体结构的电容～电压关系硅片表面的悬挂键•硅单晶体内部一个原子是以共价键形式和周围四个原子结合起来的。•在表面，硅原子的排列中断，表面的原子就有一部分未成键的电子。•这种未成键的电子的面密度约1015/cm2。•这些未成键的电子和体内成键的电子所处的状态不同，是局域束缚电子。表面束缚电子态理论计算给出•硅表面存在准连续的电子态；•在禁带中的局域能级呈现V型分布（和实验结果得到的分布U型分布大体相同）；•和价带重叠的部分是施主态，其余能级是受主态。导带价带界面态E(-qV)界面态从半导体器件的角度讲，大量存在的是界面：•金属－半导体（肖特基结或欧姆结）单晶同质PN结•半导体－半导体孪晶界面异质结•介质－半导体（二氧化硅-硅）（硅单晶的表面暴露在空气中常温下就会生长自然氧化层。）界面由于两边晶格结构不同所以就有界面态，界面态密度和失配情况有关。理想MOS电容•氧化层绝对绝缘；•氧化层中没有电荷；•氧化层和硅的界面没有界面态；•金属和硅没有功函数差。111MOSoxscCCC0oxoxCd?scC理想MOS电容表面电荷和表面势的关系1/20000,exp1exp1ppsssssppnnqqqqqFkTpkTkTpkTkT00002,pssscssDpnkTqQEFqLkTp1/20202sDpkTLqp000exp1exp1pscsssscsDpndQqqCdLFkTpkT表面电荷主要来源的转化•积累•平带•耗尽•弱反型•强反型0expsscpqQpkT0scQscsQ0expsscpqQnkTscscsdQCd平带电压、强反型电压•平带电压：由于金属和硅单晶之间有功函数差，二氧化硅中和二氧化硅－硅界面有空间电荷，所以必须在金属和硅衬底之间加一定的电压抵消这些电荷的作用才能保持半导体表面能带水平，这个电压称为平带电压。oxtoxoxoxssmsFBdxxtxCCQV0)(1功函数差smmsWWq表面固定电荷,SSQ氧化层中电荷(x)•强反型电压：这时要使表面达到强反型需要加的电压oxABFBoxBBFBTCdqNVVCdQVVVmaxmax2)(2小信号理想MOS的C-V特性取决于：测试信号和偏置电压的选择：•低频、稳态；•高频、稳态；•高频、瞬态。实际MOS电容中有许多其他电荷小信号实际MOS的C-V特性•氧化层中电荷的存在和金属-半导体功函数差引起C-V曲线平移。•硅-二氧化硅界面附近的电荷影响最大，而金属-二氧化硅界面附近的电荷几乎没有影响。•硅-二氧化硅界面附近有正电荷或金属的功函数比半导体小都会使曲线向负电压方向平移，即平带电压为负值。•硅-二氧化硅界面态会引起C-V曲线畸变。畸变平移准静态MOSC-V•从准静态MOSC-V也可以获得界面态的信息。•所谓准静态就是偏置电压变化非常缓慢，测试信号变化也非常慢，以至于任何时间界面态都处于稳态。畸变MOSC-T•如果我们在MOS电容上加一个阶跃电压，使MOS电容从A状态突然变到B状态，然后观察由B状态到C状态过程中电容随时间的变化规律就可以从中求出非平衡载流子的产生寿命。ACBABC()tsoxCBCminC从MOS电容测试可以获得的信息一般可以测试：•可动离子浓度(加偏压、温度测试C-V曲线漂移）；•界面态密度（低频稳态和高频稳态C-V曲线）；•产生寿命（高频深耗尽到高频稳态的过渡过程）；•氧化层厚度（氧化层电容）；•衬底的导电类型和掺杂浓度（耗尽区稳态高频C-V）；其他影响因素；•二氧化硅中的陷阱、外表面吸附离子、含磷二氧化硅极化、界面杂质、辐射效应…重点内容•表面电荷和表面势的关系。•小信号MOS电容的三种特性曲线是在什么情况下得到的。•从MOS电容测试可以得到哪些信息。•电荷在二氧化硅和金属的界面附近对测试结果没有影响而在半导体表面一侧则影响最大(为什么？）习题•示意画出N型和P型半导体的高频稳态MOS电容特性曲线。•P型半导体的MOS电容的二氧化硅中有可动正电荷，示意画出正离子在硅表面附近和金属表面附近的电容特性曲线。•P型硅深耗尽时表面的非平衡载流子的产生率是：说明MOS电容从深耗尽到稳态过渡的平均时间是：20101iinpgnnUpnAgiNTn