ch05-MOS电容

MOS结构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1、两端MOS基本结构Metal-Oxide-Semiconductoroxyz两端MOS结构的透视图欧姆接触第一节半导体表面空间电荷区及反型层理想MOS电容：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BG通过外加偏压，借助于MOS结构可以在半导体表面产生空间电荷区。P-Si2SiOMetalSiGV＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－dxoxTxo0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。0GV＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－2SiOMetal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。MOS结构的电容描述在半导体内，电荷则要扩展到相当厚度的一层。siPGQ金属表面单位面积电荷sQ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。dx表面空间电荷区的宽度空间电荷区两端的电势差称为表面势dxxxs0soxssoxGBSGCQVVQQ0oxtdxGBV2SiOsipM＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－0GB0s能带向上弯曲E0s能带向下弯曲Esq)(xqEEBii空间电荷区描述：能带图积累层、耗尽层和反型层①多子积累②表面耗尽③表面反型当MOS加上偏压时，半导体表面分为有三种情况：)ln(iAsfiBnNqkTqEEcEGfEvEsfEiEGqqBq理想MOS结构在外加偏压为零时的能带图0EM2SiOSip平带多子积累（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。积累层十分集中在表面，通常可以忽略其厚度。0GVmfEsfEiEcEVEx)(xGQsQholeMOS表面耗尽（Depletion）0GVmfEsfEiEcEVE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。)(xxGQdAsxqNQdx电离受主MOSsq表面反型（Inversion）)(xxGQdAdepxqNQomaxdx电子invQdepinvsQQQ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。MOSsfEiEcEVEmfE0GVsq表面强反型（Inversion）sfEiEcEVEmfE0GVix)(xxGQmaxdAdepxqNQomaxdx电子invQdepinvsQQQ强反型后，栅压再增加，主要是反型层的电子增加，耗尽层电荷基本不再增加，耗尽层宽度达到最大值。沟道MOSBqSqAkTqkTqsNenennBs200Bs2表面强反型强反型弱反型表面本征表面耗尽平带0sBsBsBsB2Bs2反型层sfEiEcEVEx沟道sq)(xqBq中性区氧化硅耗尽区耗尽层)()(xEExqibulki)0(xEEqibulkis表面电子浓度kTqssenn0表面空穴浓度kTqssepp0强反型和阈值电压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强反型的过渡点。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。HoleAccumulationP-Si0GV2SiOMetal耗尽层TGVV0P-Si－－－－－－－－－－－反型层耗尽层TGVVP-Si－－－－－－－－－－－maxdxEP-SiGVoxtOxSiO2sfEiEcEVEx半导体表面sq)(xqBq衬底氧化硅sxdxd)(22一维泊松方程：dx空间电荷区的电场、表面电荷DASNNxnxpqdxd)()(220)(0)(xEx，P-SiGBVoxtOxSiO21、严格求解边界条件：)exp()(0kTqnxn)exp()(0kTqpxpB2/1001)(12)sgn()(ttenNNepqxEtDAtssHolecontributionDopantioncontributionElectroncontributionqkTt0101)sgn(sssssQE)0(2/1001)(12)sgn(tstsenNNepqQtsDAtsss)(sGBoxsVCQ2/1001)(12)sgn(tstsenNNepCqVtsDAtoxsssGB半导体内部DANNnp002/100001)(12)sgn(tstsennpepqQtstsss对于P型半导体ANp0tBeNnA200DN2/100112)sgn(tstsenNepqQtsAtsss积累区tseNqQtAss22耗尽区sAssNqQ22242GBsVoxAsCNq2反型区2/1)2(2tBseNqQtsAss2耗尽层近似siAqNdxd022ddsAxxxxqNxE0)()(空间电荷区的电场：空间电荷区的电位：dddsAxxxxxqNx0)1(2)(22表面势：22dsAsxqN耗尽区宽度：AssdqNx2sdx0x氧化层半导体空间电荷区单位面积电荷：sAsdAdepsqNxqNQQ2通常认为在表面势时，耗尽层假设成立Bs23阈值电压在理想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：soxSsoxGsoxGCQCQVV开始强反型时：Bs2BASdepsqNQQ22oxBASBTCqNV222强反型后：Bs2invdepsQQQmaxixsTGoxinvdxxqnVVCQ0)(ABsdqNx4maxs2BVfbVgaccumulationdepletioninversionWdepWdmaxaccumulationdepletioninversions)1/2xdmax=(2s2B/qNa1/2VgVfbTVTV0VgaccumulationdepletioninversionQinvaccumulationdepletioninversion(a)(b)accumulationdepletioninversion(c)Qs0accumulationregimedepletionregimeinversionregimetotalsubstratecharge,QsinvdepaccsQQQQQaccVgVgQdep=-qNaxdepVfbslope=Coxslope=CoxVfbVfb–qNaxdep–qNaxdmaxVgQinvslope=CoxVfbTVTVTVTVMOS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MOS电容的定义GsGGdVdQdVdQCGVoxCsCHzMK)10~1(soxsGsoxsGdCdQdVCQVsssddQCsoxCCC111oxCCqkTqNLLCAsDDss1)11(soxFBCCCC1)11(soxdssCCCxCoxCCFrequencyLow:积累平带耗尽反型MOS结构的C-V曲线（P型衬底）QQdQdQdamxxdx11反型层充放电时间021iAnN频率特性：高频和低频C-V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。0GVCFBC低频高频深耗尽oxCmax2ddBsxx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。①金属－半导体功函数差mfEcEiEvEsfE接触电势差：SGms由于功函数差，当栅压VG=0时，半导体表面已经存在空间电荷区，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（VG－VFB）和VFB两部分组成的，前者相当于理想C－V中的VG，后者抵消接触电位差。msFBV在理想MOS中，VG=0时的电容为平带电容，实际的MOS中，当VG－VFB＝0，电容为平带电容CFB。即当电压VG＝VFB时，电容才是CFB。这表明，功函数差使理想C－V曲线，沿水平方向平移VFB。GVC理想C－V0FBV0FBVFBC0对C-V特性的影响②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金属Na+K+可移动离子电荷氧化物陷阱电荷＋＋＋－－－＋＋＋＋＋××××××固定电荷Na+界面陷阱电荷2SiOSiNa+界面陷阱电荷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C－V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。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。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：xoxsioFBtxCQxQV00200＋＋＋＋＋＋＋＋－＋－－－－－－－－2SiOSiMetal0GVx＋＋＋＋＋＋＋＋－＋－