半导体物理基础---第六章---MOS

第六章金属—氧化物—半导体场效应晶体管Lienfeld和Heil于30年代初就提出了表面场效应晶体管原理。40年代末Shockley和Pearson进行了深入研究。1960年Kahng和Alalla应用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET.MOSFET是大规模集成电路中的主流器件。MOSFET是英文缩写词。其它叫法：绝缘体场效应晶体管（IGFET）、金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFET）、金属-氧化物-半导体晶体管（MOST）等。6.1理想MOS结构的表面空间电荷区6.1理想MOS结构的表面空间电荷区理想MOS结构基于以下假设：（1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。（2）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图6-2b中的情形。〔由于假设（1）、（2），在无偏压时半导体能带是平直的。〕（3）层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。这些假设在以后将被取消而接近实际的MOS结构。2SiO6.1理想MOS结构的表面空间电荷区半导体表面空间电荷区：每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系（6-1）式中=自由空间的电容率=氧化物的相对介电常数=半导体表面的电场=半导体相对介电常数=空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。外加电压为跨越氧化层的电压和表面势所分摊：00kSSkdxGV0VSSGVV0（6-2）SSSMkkQQ00006.1理想MOS结构的表面空间电荷区图6-3加上电压时MOS结构内的电位分布GV6.1理想MOS结构的表面空间电荷区载流子积累、耗尽和反型载流子积累紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时，称为载流子积累现象。单位面积下的空间电荷00[()]dxsQqpxpdx6.1理想MOS结构的表面空间电荷区图6-4几种偏压情况的能带和电荷分布（a），（b）小的，（c）大的GVGVGV6.1理想MOS结构的表面空间电荷区载流子耗尽单位面积下的总电荷为式中为耗尽层宽度。载流子反型：载流子类型发生变化的现象或者说半导体的导电类型发生变化的现象。图6-4几种偏压情况的能带和电荷分布：（a），（b）小的，（c）大的daBSxqNQQ（6-6）022sdaSkxqN21dSxxx（6-7）dx（6-5）6.1理想MOS结构的表面空间电荷区6.1.3反型和强反型条件反型条件；强反型条件；式中为出现强反型时的表面势。（6-17）（6-18）fsfsi2Si6.1理想MOS结构的表面空间电荷区图6-5强反型时的能带图x0EIxfqfqcEvEiE6.1理想MOS结构的表面空间电荷区总表面空间电荷为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷：qNakqNakxfSsiSdm0042dmaBxqNQdmaIBISxqNQQQQIQ（6-19）（6-20）（6-21）（6-52）IQ0IxIqnxdx6.1理想MOS结构的表面空间电荷区小结理想MOS结构基于以下假设：（1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。（2）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图6-2b中的情形。〔由于假设（1）、（2），在无偏压时半导体能带是平直的。〕（3）层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。偏压使半导体表面具有表面势，出现表面空间电荷区。空间电荷与电场具有以下关系（6-1）2SiOGVSSSMkkQQ00006.1理想MOS结构的表面空间电荷区小结载流子积累、耗尽和反型的概念。载流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。体费米势的概念：反型和强反型条件：反型条件；强反型条件；qEEFif0fsfsi2（6-8）（6-17）（6-18）6.1理想MOS结构的表面空间电荷区教学要求了解理想结构基本假设及其意义。根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。导出反型和强反型条件（6-1）SSSMkkQQ00006.2理想MOS电容器6.2理想MOS电容器系统单位面积的微分电容微分电容C与外加偏压的关系称为MOS系统的电容—电压特性。若令（6-22）GMdVdQCGVMsMMGdQddQdVdQdVC01（6-23）00dVdQCM（6-24）SSSMSddQddQC（6-25）6.2理想MOS电容器则=绝缘层单位面积上的电容，=半导体表面空间电荷区单位面积电容。称为系统的归一化电容。（6-26）（6-28）（6-29）SCCC11100CSCSCCCC00110CC00000xkdVdQCM6.2理想MOS电容器将电容随偏压的变化分成几个区域，变化大致情况如图6-7所示。图6-7P型半导体MOS的C-V特性6.2理想MOS电容器积累区（0）MOS系统的电容C基本上等于绝缘体电容。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电荷区积累的空穴数随之减少，并且随的变化也逐渐减慢，变小。总电容C也就变小。平带情况（=0）（6-40）由掺杂浓度和氧化层厚度确定（6-40）GV0CSQSSCGV00011xkLkCCsDFB6.2理想MOS电容器耗尽区（0）氧化层电容，代入（6-2）式中有（6-43）GVdSSSSxkddQC00011xkxkCCSdS00CQVSSSGCQV0daBSxqNQQ022sdaSkxqN（6-42）（6-44）和把（6-5）（6-6）6.2理想MOS电容器代入（6-44）式解出归一化电容随着外加偏压的增加而减小.反型区（0）（6-45）（6-46）（6-47）dx200000021SSGdSakkVXCCCqkNSSsddQCSBSIddQddQ0CCGVGV21212020002002121GSaGSaVxkqNkVkqNCCC6.2理想MOS电容器小结MOS电容定义为绝缘层单位面积电容导体表面空间电荷区单位面积电容（6-22）（6-29）（6-25）GMdVdQC00000xkdVdQCMSSSMSddQddQC6.2理想MOS电容器小结归一化电容在耗尽区归一化MOS电容随着外加偏压的增加而减小画出了理想系统的电容—电压特性（图6.7）。（6-28）（6-45）（6-46）SCCCC0011200000021SSGdSakkVXCCCqkN21212020002002121GSaGSaVxkqNkVkqNCCC0CCGV6.2理想MOS电容器教学要求掌握理想系统的电容—电压特性，对图6.7作出正确分析。导出公式（6－45）、（6-46）。6.3沟道电导与阈值电压6.3沟道电导与阈值电压一沟道电导式中为沟道中的电子浓度。为沟道宽度。即为反型层中单位面积下的总的电子电荷沟道电导为（6-51）dxxnqLZgIxnII00IxIIqnxdxQ（6-52）InIQLZg（6-53）xnIIx6.3沟道电导与阈值电压二阈值电压：定义为形成强反型所需要的最小栅电压。当出现强反型时沟道电荷受到偏压控制，这正是MOSFET工作的基础。阈值电压：第一项表示在形成强反型时，要用一部分电压去支撑空间电荷；第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表面势。（6-51）（6-54）（6-55）THVSiBIGCQCQV00THGSiBGIVVCCQVCQ000GVSiBTHCQV0SiBQ6.3沟道电导与阈值电压小结二个概念：沟道电导、阈值电压沟道电导公式阈值电压公式（6-53）（6-54）InIQLZgTHGSiBGIVVCCQVCQ0006.3沟道电导与阈值电压教学要求掌握概念：沟道电导、阈值电压导出沟道电导公式（6-53）导出阈值电压公式（6-54）说明阈值电压的物理意义。6.4实际MOS的电容－电压特性6.4实际MOS的电容－电压特性•功函数差的影响6.4实际MOS的电容—电压特性以铝电极和P型硅衬底为例。铝的功函数比型硅的小，前者的费米能级比后者的高。接触前，功函数差－＝－()0这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带，一部分用来拉平半导体的能带，使＝0。因此称其为平带电压。mqqSFMFSEES'''1smmsGVS由于功函数的不同，铝—二氧化硅—P型硅MOS系统在没有外加偏压的时候，在半导体表面就存在表面势0。因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影响，就必须在金属电极上加一负电压。（6-56）6.4实际MOS的电容—电压特性6.4实际MOS的电容—电压特性在室温下，硅的修正功函数（6-57）起着有效电压的作用。实际系统的电容C作为的函数，与理想MOS系统C的作为的函数，在形式上应该是一样的。Vffs8.321.13.25'1GGVV1GGVVGV6.4实际MOS的电容—电压特性界面陷阱和氧化物电荷的影响金属2SiOSi可移动离子电荷mQKaN+++氧化物陷阱电荷otQ氧化物固定电荷fQ界面陷阱电荷itQ++++图6-13热氧化硅形成的2SiOSi系统中的各类电荷6.4实际MOS的电容—电压特性界面陷阱电荷（interfacetrappedcharge）硅（100）面，约，硅（111）面，约。氧化物固定电荷（fixedoxidecharge）位于界面约3nm的范围内，这些电荷是固定的，正的。（100）面，约为，（111）面，约为，因为（100）面的和较低，故硅MOSFET一般采用（100）晶面。氧化物陷阱电荷（oxidetrappedcharge）大都可以通过低温退火消除。可动离子电荷（mobileioniccharge）诸如钠离子和其它碱金属离子，在高温和高压下工作时，它们能在氧化层内移动。itQitQitQ21010cm21110cmfQ2SiOSifQ21010cmfQ210105cmitQfQotQotQmQ6.4实际MOS的电容—电压特性克服硅－二氧化硅界面电荷和二氧化硅中电荷影响所需要的平带电压：如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为，则总的平带电压0020000GQQxVxkCxxdxxxxCdVG00212GV00000201CQdxxxxCVSXG（6-58）（6-59）(6-60)6.4实际MOS的电容—电压特性其中（6-61）称为有效面电荷。实际硅－二氧化硅系统：（6-64）dxxxxQxS0000002CQVG0020000GQQxVxkCx6.4实际MOS的电容—电压特性实际的MOS阈值电压和C-V曲线平带电压阈值电压第一项是，为消除半导体和金属的功函数差的影响，金属电极相对于半导体所需要加的外加电压；第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的外加电压；第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压；第四项是开始出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。00'21CQVVVmsGGFBSiBmsCQCQSiCBQFBVTHV000'0（6-65）（6-66）BQ6.4实际MOS的电容—电压