MOSFET基础结构-CV特性

第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础11.1双端MOS结构n11.1.1能带图n11.1.2耗尽层厚度n11.1.3功函数差n11.1.4平带电压n11.1.5阈值电压n11.1.6电荷分布11.1MOS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SiSiO2实际的铝线-氧化层-半导体（M:约10000AO:250AS:约0.5~1mm）11.1MOS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11.1MOS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11.1MOS电容表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形FScFSCEEEE11.1MOS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小节内容n11.1.1能带图n随便画能带图,要知道其半导体类型n加什么电压往那里弯曲11.1MOS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11.1MOS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11.1MOS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11.1MOS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小节内容n11.1.2耗尽层厚度n耗尽情况n反型情况n会算其厚度n了解阈值反型点条件n常用器件掺杂范围11.1MOS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，要达到热平衡，需要导线连接金属和半导体！11.1MOS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11.1MOS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11.1MOS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11.1MOS电容功函数差:p＋掺杂多晶硅栅(P-Si)p+掺杂至简并≥011.1MOS电容功函数差:n型衬底情形负栅压的大小11.1MOS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（小节内容n11.1.3功函数差n接触前的功函数n接触后的变化n功函数差与谁有关?n不用金属,而用N+POLY或P+POLY功函数差如何算?11.1MOS电容平带电压:定义nMOS结构中半导体表面能带弯曲的动因n金属与半导体之间加有电压（栅压）n半导体与金属之间存在功函数差n氧化层中存在净的空间电荷n平带电压n定义：使半导体表面能带无弯曲需施加的栅电压n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11.1MOS电容平带电压若氧化层中不存在电荷，此时的平带电压应为多少？FBmsV平带电压11.1MOS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小节内容n11.1.4平带电压n来源n定义n如果没有功函数差及氧化层电荷,平带电压为多少?n如何算11.1MOS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11.1MOS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11.1MOS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11.1MOS电容阈值电压:n型衬底情形02|'|2|'|maxmaxfnFBoxSDfnmsoxssoxSDTPVCQCQ'CQV－)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/'增强型、耗尽型都可能增强型（除非掺P型杂质）MOSFET类型阈值电压典型值金属-半导体功函数差11.1MOS电容表面反型层电子密度与表面势的关系tsaisVNnnexp2316316cm101V695.02V347.0K300cm103sfpsfpanTN反型实例：11.1MOS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小节内容n11.1.6电荷分布n分布图n为什么书中可以经常忽略反型点的电荷?p327n11.1.5阈值电压n概念n电中性条件n与谁有关?如何理解?nN型P型及掺杂的关系11.2节内容n理想情况CV特性n频率特性n氧化层电荷及界面态的影响n实例11.2C-V特性什么是C-V特性？)(VfdVdQC平带电容-电压特性11.2C-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11.2C-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'平带本征栅压趋近于平带电压时，总电容随表面德拜长度LD的增加而减少。11.2C-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('CxVdG11.2C-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('11.2C-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11.2C-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栅压频率的影响小节内容n理想情况CV特性nCV特性概念n堆积平带耗尽反型下的概念n堆积平带耗尽反型下的计算n频率特性n高低频情况图形及解释11.2C-V特性氧化层电荷的影响曲线左移，反之右移VCVQFBss'例图:因为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11.2C-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小节内容n氧化层电荷及界面态对C-V曲线的影响n氧化层电荷影响及曲线n界面态概念n界面态影响概念曲线n实例n如何测C-V曲线n如何看图解释出现的现象