Lecture24-第六章-理想MOS电容器

MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince理想MOS电容器Prof.GaobinXuMicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvinceofHefeiUniversityofTechnologyHefei,Anhui230009,ChinaTel.:E-mail:[e-mail].6MOSFETLecture24：§6.2MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvinceOutline1.积累区（VG0）2.平带情况（VG=0）3.耗尽区（VG0）4.反型区（VG0）MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince对于一个理想的MOS系统，当外加偏压VG变化时，金属极板上的电荷QM和半导体表面空间电荷QS都要相应发生变化。说明，MOS系统有一定的电容效应，所以把它叫做MOS电容器；但一般说来：QM并不正比于外加偏压VG，需要讨论微分电容。引言：MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince令C为MOS系统单位面积的微分电容，则：微分电容C的数值随外加偏压VG变化，这个变化规律称为MOS系统的电容-电压特性S0GVVGMddVQCMSM0MGdddddd1QQVQVCMicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince令:C0：绝缘层单位面积上的电容CS：半导体表面空间电荷区单位面积的电容SSSMS0M0ddddddQQCVQCSCCC1110MSM0MGdddddd1QQVQVCMicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince两个电容串联后，总电容变小，且其数值主要由较小的一个电容所决定，因为大部分电压都降落在较小的电容上。C/C0称为系统的归一化电容SSCCCCC00SCCCC/1100即有：MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince对于理想MOS系统，由高斯定律：C0是一个不随外加电压变化的常数00M0000MxQVxVQ电场000M0ddxVQCMicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince由于半导体的表面电容CS是表面势的函数，因而也是外加偏压的函数。显然，如果求出CS随VG变化的规律，就可以得到MOS系统的总电容C随外加偏压变化的规律。SSSSMSddddQQCMicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince1.积累区（VG0）当MOS电容器的金属电极上加有较大的负偏压时，能带明显向上弯曲，在表面造成多数载流子空穴的大量积累；只要表面势稍有变化，就会引起表面空间电荷QS的很大变化；所以，半导体表面电容比较大，可以忽略不计。MOS系统的电容基本上等于绝缘体电容C0。当负偏压的数值逐渐减小时，空间电荷区积累的空穴数随之减少，且QS随的变化逐渐减慢，CS变小，它的作用就不能忽略；将使总电容减小，所以负偏压的数值愈小，Cs愈小，MOS电容器的总电容C就愈小。SSd00Sd])([xxpxpqQ（VG0）MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince积累区的C-V特性归一化电容平带情况负偏压减小MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince2.平带情况（VG=0）在平带附近，空间电荷区中：由空穴的过剩或欠缺引起的电荷密度：在平带附近，。上式进行指数项展开，且只保留前两项T/)(0)(Vxepxp)1e()()(T/00VqpppqxKTpqVqpx02T0)(VG=0时，=0，能带是平直的，称为平带情况STV（VG~0）MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince则，空间电荷区内的泊松方程为：式中：德拜屏蔽长度其通解为：2Ds0222ddLKTpqx2/102sDpqKTLKTpqx02)(s22ddxDD//LxLxBeAeassd2qNxMicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince德拜屏蔽长度LD标志着为了屏蔽外电场而形成的空间电荷区的厚度。s,0;0,xx其边界条件为：D/sLxeDD/s2Ds/s02)(LxLxeLeKTpqxKTpqx02)(DD//LxLxBeAe电荷密度：MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince半导体表面单位面积内的总电荷为：空间电荷与表面势符号相反平带情况下半导体表面的小信号电容(微分电容)：在杂质饱和电离的情况下：归一化平带电容：sDs0/s2Ds0Sdd)(DLxeLxxQLxDsSSSddLQC2/1a2sDNqKTL0sD00FB11xLCC2/102sDpqKTLMicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince正比氧化层厚度正比掺杂浓度0sD00FB11xLCC2/1a2sDNqKTLMicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince3.耗尽区（VG0）随着外加偏压VG的增加，xd将增大，从而电容CS将减小。由CS和C0串联的，MOS电容C也将随着外加偏压VG的增加减小dsSSSddxQCdaSxqNQ2/1SsaS)2(qNQ可得：SCCC1110s2das2xqN在耗尽区，由：MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince对于氧化层有：SSCCCCC000sd0011xxCC000M0ddxVQCdsSSSddxQCS0GVV0S0CQVS0SGCQVs2aS2dxqN20asG0s0sd21CNqVCCxdaBSxqNQQMicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince耗尽区归一化电容随外加偏压的增加而减小2/1G20sa202/1Gsa2002121VxqNVqNCCCSCCCC/110020asG0s0sd21CNqVCCxdsSSSddxQC000M0ddxVQC耗尽区归一化电容为：MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince耗尽区的C-V特性MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince出现反型层以后的电容C与测量频率有很大关系，所谓电容C与测量频率有关，就是与交变信号电压的频率有关。4.反型区（VG0）在测量电容C时，在MOS系统上施加有直流偏压VG，然后在VG之上再加小信号的交变电压，使电荷QM变化，从而测量电容C。在不同的直流偏压下测量C，便得到C-V关系。测量方法：MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince在积累区和耗尽区，当表面势变化时，空间电荷的变化是通过多子空穴的流动实现的，从而引起电容效应。在这种情况下，电荷变化的一般能跟得上交变电压的变化。电容与频率无关。MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince在出现反型层以后，特别是在接近强反型时，表面电荷由两部分组成：一部分是反型层中的电子电荷QI，它是由少子的增加引起的；另一部分是耗尽层下的电离受主电荷QB，它是由多子空穴的丧失引起的：表面电容CS为：SBSISSSddddddQQQCBISQQQMicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince如果测量电容的信号频率较高，耗尽层中电子-空穴对的产生和复合过程跟不上信号的变化，反型层中的电子电荷QI也就来不及改变。则有：则高频情况下，反型层中的电容为：0ddSIQ0sd0011xxCCdsSBSddxQCMicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince随着直流偏压VG的增加，xd增大，电容C按耗尽层的电容变化规律而减小。当表面形成强反型层时，强反型层中的电子电荷随直流偏压的增加而增加，对直流偏置电场起屏蔽作用。于是，耗尽层宽度不再变化，达到极大值xdm，此时，MOS系统的电容C就达到最小值Cmin。且不再随VG的增加而变化，如图中虚线所示。电容C按耗尽层的电容变化规律MicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEngineeringandTechnologyofAnhuiProvince正比氧化层厚度正比掺杂浓度0sd0011xxCCMicroElectromechanicalSystemResearchCenterofEn