11 MOSFET基础(1)(MOS结构,CV特性)

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ＭＯＳ结构11.2电容－电压特性11.3ＭＯＳＦＥＴ基本工作原理11.4频率限制特性11.5ＣＭＯＳ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311.1MOS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Sin型Si或p型SiSiO24实际的铝线-氧化层-半导体（M:约10000AO:250AS:约0.5~1mm）511.1MOS电容表面能带图: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FSvFSvEEEE611.1MOS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)dTXFSvFSFiEEEEFSvFSFiEEEE711.1MOS电容表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形FScFSCEEEE811.1MOS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(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型FScFSFiEEEEFScFSFiEEEE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1011.1MOS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s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型衬底1111.1MOS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：exp()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT体内空穴浓度：exp()FiFiEEpnkTexp()fpienkT2sfp栅电压=阈值电压表面空间电荷区厚度达到最大值1211.1MOS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1311.1MOS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1511.1MOS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02gsFsfpEWEEee)2(fpgmsmmseEeWW（电势表示）差金属与半导体的功函数0mFmmWEEe金属的功函数半导体的功函数绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，1611.1MOS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1711.1MOS电容功函数差:计算公式00'(')2()gmsmfpoxSEeVV83.0)cm10,K300(V228.0:SiSiOAleV11.1:SiV25.3':SiOSiV20.3':SiOAlms314222afpgmNTE00bioxSVV内建电势差：ms功函数差1811.1MOS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1911.1MOS电容功函数差:p＋掺杂多晶硅栅(P-Si)p+掺杂至简并≥02011.1MOS电容功函数差:n型衬底情形负栅压的大小2111.1MOS电容功函数差:与掺杂浓度的关系型衬底型衬底同样栅电极材料下的pnmsAupolypAlpolyn：SipAlpolynAupolyp：Sin||型型同样衬底材料下的ms0Al)poly,nms对多数应用（2211.1MOS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2311.1MOS电容平带电压:公式GoxsVV栅电压oxssoxmoxssmCQCQVQ'Q''0'电中性条件oxssmsGFBCQVVs'|0平带电压)0'00恒（，则若ssFBmsQVVox0+s0=-ms零栅压时：00()()oxoxssoxsmsVVV单位面积电荷数金属上的电荷密度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2511.1MOS电容阈值电压:公式mssoxGVV栅电压栅氧化层电容）平带电压氧化层电荷半导体掺杂浓度＋＋－阈值电压,,,(2|'|2|'|2||maxmax2ox2GfVCQCQ'CQVVVfpFBoxSDmsfpoxssoxSDmsfpTNfpsfps'|'|'msDssoxoxoxoxQQQVCCC栅氧化层电压阈值电压：达到阈值反型点时所需的栅压表面势=费米势的2倍|QSDmax|=eNaxdTQSDns'|'|msssDQ'QQ电中性条件忽略反型层电荷2611.1MOS电容阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系P型衬底MOS结构Q‘ss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Q’ss的增加而线性增加Na很大时，VTN随Na的变化剧烈，且与Q’ss的相关性变弱2711.1MOS电容阈值电压:导通类型VTN0MOSFET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2811.1MOS电容阈值电压:n型衬底情形02|'|2|'|maxmaxfnFBoxSDfnmsoxssoxSDTPVCQCQ'CQV－29)2'('fpgmmseEoxssmsFBCQV/'费米势表面耗尽层最大厚度单位面积表面耗尽层电荷oxoxoxtC/dTaSDxeNQ|'|max单位面积栅氧化层电容平带电压阈值电压11.1MOS电容n型衬底与p型衬底的比较dTdSDxeNQ|'|max)2'('fngmmseEp型衬底MOS结构n型衬底MOS结构oxoxoxtC/oxssmsFBCQV/'阈值电压典型值金属-半导体功函数差3011.1MOS电容表面反型层电子密度与表面势的关系316316cm101V695.02V347.0K300cm103sfpsfpanTN反型实例：3111.1MOS电容表面空间电荷层电荷与表面势的关系半导体表面状态的变化时衬底型GSVSip堆积平带耗尽弱反型强反型32小节内容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3311.2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3411.2C-V特性什么是C-V特性？)(VfdVdQC平带电容-电压特性3511.2C-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oxoxoxtCC)acc('平带本征3611.2C-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asoxoxoxoxFBeNekTttC'平带本征3711.2C-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，出现耗尽层电容平带本征C’相当与Cox与Csd’串联min'(dep)oxoxoxoxdTCttx)dep('CxVdG3811.2C-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平带本征oxoxoxtCC)inv('3911.2C-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4011.2C-V特性反型状态(高频)dToxoxoxoxxttCCmin)dep(')inv('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。MHz1~fHz100~5f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4211.2C-V特性氧化层电荷的影响曲线左移，反之右移VCVQFBss'例图:如果Qss均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电,所以平带电压更负-----++'ssFBmsoxQVC平带电压4311.2C-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11.2C-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11.2C-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。11.2C-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4748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