吉林大学半导体第六章(精)PPT课件

.,1,说明与声明,半导体器件物理学习指导是编者在吉林大学电子科学与工程学院为微电子学、光电子学、电子科学与技术等专业本科生讲授半导体器件物理课的过程中为便于学生学习和使用所用半导体器件物理教材（孟庆巨、刘海波、孟庆辉著，科学出版社2005年1月出版，2006年6月第三次印刷）而编写的与教材配套的辅导性学习参考材料。按照教材的内容和教学要求半导体器件物理学习指导包括以下四个方面的内容：一.重要名词、术语、概念和问题二.重要理论推导三.重要图表四.重要习题解答,.,2,说明与声明,欢迎和感谢对半导体器件物理学习指导的使用。由于作者水平所限，编写时间仓促，错误之处在所难免，欢迎和感谢批评指正。半导体器件物理学习指导仅供师生教学使用，尚未作为文字出版物出版，但是半导体器件物理学习指导作为2005年吉林大学精品课和2005年吉林省精品课半导体器件物理与实验课程的网上资源已经上网。任何未经本人允许而销售或在任何出版物中引用半导体器件物理学习指导中的任何材料的做法都将被视为是侵犯编者的知识产权的行为。半导体器件物理学习指导编者孟庆巨于吉林大学2006年6月30日,.,3,第六章金属氧化物半导体场效应晶体管,.,4,一名词术语概念问题,.,5,理想MOS结构：理想结构基于以下假设：（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;（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。载流子积累：随着外加偏压的改变，半导体表面的多数载流子浓度可能大于体内热平衡多数载流子浓度，这种现象称为载流子积累。载流子耗尽：在外加偏压的作用下，半导体表面的多数载流子浓度大大低于体内热平衡多数载流子浓度，少数载流子浓度增加，大于体内热平衡多数载流子浓度但仍远远低于电离杂质浓度。与电离杂质浓度相比，自由载流子浓度可以忽略，这种现象称为载流子耗尽。（或：在外加偏压的作用下，半导体表面自由载流子浓度与电离杂质浓度相比可以忽略的现象称为载流子耗尽。）,.,6,载流子反型：在外加偏压的作用下，半导体表面的少数载流子浓度等于或高于本征载流子浓度的现象称为载流子反型。沟道电荷：半导体表面反型层中的反型自由载流子电荷。解释出现反型层以后的电容C与测量频率有关的现象。答：所谓电容与测量频率有关，就是与交变信号电压的频率有关。在出现反型层以后，特别是在接近强反型时，表面电荷由两部分所组成：一部分是反型层中的电子电荷，它是由少子的增加引起的。另一部分是耗尽层中的电离受主电荷，它是由于多子空穴的丧失引起的。,（6-21）,.,7,表面电容为考虑是怎样积累起来的。例如，当MOS上的电压增加时，反型层中的电子数目要增多。P型衬底中的电子是少子，由衬底流到表面的电子非常少，因此，反型层中电子数目的增多，主要依靠耗尽层中电子空穴对的产生。在反型层中实现电子的积累是需要一个过程的。这个过程的弛豫时间由非平衡载流子的寿命所决定，一般比较长。同样，当MOS上的电压减小时，反型层中的电子要减少。电子数目的减少主要依靠电子和空穴在耗尽层中的复合来实现。如果测量电容的信号频率比较高，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，那么，反型层中的电子电荷也就来不及改变。于是，,（6-47）,.,8,这样在高频情况下，随着直流偏压的增加，增大，电容C减小。当表面形成了强反型层时，强反型层中的电子电荷随直流偏压的增加而e指数地增加，对直流偏置电场起屏蔽作用。于是，耗尽层宽度不再改变，达到极大值。这时，MOS系统的电容C要达到极小值。在接近强反型区，如果测量电容的信号频率比较低，耗尽层中电子空穴对的产生与复合过程能够跟得上信号的变化，这时，反型层中的电子电荷的变化，屏蔽了信号电场，对表面电容的贡献是主要的，而耗尽层的宽度和电荷基本上不变，因此,.,9,在这种情况下，表面电容由反型层中电子电荷的变化所决定在形成强反型以后，随变化很快，的数值很大。于是，MOS系统的电容C趋近，即随着的增加，C经过一个极小值，而后迅速增大，最后趋近于。以上说明了MOS系统的C-V关系随测量频率变化的原因。,（6-50）,.,10,MOS结构存在哪些氧化层电荷和界面陷阱电荷？简述它们的基本属性。答：它们是：界面陷阱电荷、氧化物固定电荷、氧化物陷阱电荷和可动离子电荷。界面陷阱电荷，在界面上的陷阱，其能级位于硅禁带之内。界面态密度（即单位面积陷阱数）和晶面取向有关。在(100)面界面态密度比(111)面的约少一个数量级。氧化物固定电荷位于界面约3nm的范围内，这些电荷是固定的，在表面势大幅度变化时，它们不能充放电。通常是正的。（100）面的和较低，故MOS结构中硅一般采用（100）晶面。,.,11,氧化物陷阱电荷，和二氧化硅缺陷有关。例如，在受到x射线辐射或高能电子轰击时，就可能产生这类电荷。这些陷阱分布在二氧化硅层内。这些和工艺过程有关的大都可以通过低温退火消除。可动离子电荷，诸如钠离子和其它碱金属离子，器件制造过程中由可动离子沾污引起的。在高温和高压下工作时，它们能在氧化层内移动。半导体器件在高偏置电压和高温条件下工作时的可靠性问题可能和微量的碱金属离子沾污有关。在高偏置电压和高温条件下，可动离子随着偏置条件的不同可以在氧化层内来回移动，引起CV曲线沿电压轴移动。因此，在器件制造过程中要特别注意可动离子沾污问题。,.,12,写出实际阈值电压的表达式并说明各项的物理意义答：式中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；第三项是当半导体表面开始出现强反型时，半导体空间电荷区中的电荷与金属电极的相应电荷在绝缘层上所产生的电压降，亦即支撑出现强反型时所需要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，也就是跨在空间电荷区上的电压降。是实际阈值电压，是使MOSFET出现强反型所需的最小栅偏压。,（6-66）,.,13,画出MOSFET结构示意图，简述其工作原理。答：MOSFET结构示意图如图6-1所示。它是一个四端器件。其结构是在P型硅衬底上形成作为源和漏的两个区。氧化物上的金属电极叫做栅极。通常把源和漏下方区域称为场区，而把栅下区域称为有源区。器件的基本参数是沟道长度（两个结间的距离），沟道宽度Z，氧化层厚度，结深，以及衬底掺杂浓度等。以源极作为电压的参考点。当漏极加上正电压，而栅极未加电压时，从源极到漏极相当于两个背靠背的PN结。从源到漏的电流只不过是反向漏电流。当栅极加上足够大的正电压时，中间的MOS结构发生反型，在两个区之间的P型半导体形成一个表面反型层（即导电沟道）。于是源和漏之间能通过N型表面沟道流过电流。这个沟道的电导（因而电流）可以用改变栅电压来调制。这就是MOSFET的基本工作原理。,.,14,.,15,二重要推导,.,16,1.根据电磁场边界条件证明：证明：根据高斯定律，在金属外表面，二氧化硅中：在二氧化硅和半导体界面：令二氧化硅为介质1，半导体为介质2。则：2.导出反型和强反型条件解：反型条件：设半导体体内本征费米能级为，则在空间电荷区内，,.,17,在半导体表面处，为半导体体内的费米势。则当时，半导体表面呈现本征状态，此后，再增加，半导体表面就会发生反型，于是由（2）式得到,令,或者,以及,（2）,（1）,（3）,.,18,一般规定，当表面势等于体内费米势时，半导体表面开始发生反型。（3）式即为反型条件。强反型条件：规定当表面少子浓度等于体内平衡多子浓度时，半导体表面形成强反型层，这称为强反型层条件。由（1）和（2）式有式中表示出现强反型时的表面势。（3）式叫做强反型条件。3.证明MOSFET沟道电导为证明：对于长为L、截面积为Z的电阻，如果载流子均匀分布，其电导为,（3）,.,19,由于载流子不均匀，应把写成，于是其中为反型层中单位面积下的总的电子电荷，负号表示负电荷。（2）代入（1）即得,（1）,（2）,.,20,4.导出MOS理想结构的阈值电压的表达式并说明式中个项的物理意义。解：由当出现强反型时，可见，当时，才会出现负的感应沟道电荷，也就是说，只有时，半导体表面才会形成强反型层。式中称为阈值电压：,（6-44）,，于是有,或者,.,21,上式即为所求。从物理上说，它的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。是形成强反型时所需要的最小栅电压。5.假设单位面积上有正电荷位于二氧化硅层内，导出使能带平直所需的平带电压。如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为，导出平带电压的表达式。,（6-55）,.,22,解：假设单位面积上正电荷位于二氧化硅层内X处的一薄层中，。这些正电荷在金属表面上感应出负电荷，在半导体表面感应出负电荷QS，。由于的出现，在没有外加偏压VG的情况下，半导体表面内也将出现空间电荷区，能带发生弯曲，半导体表面带有正的表面势。为克服该表面势，或者说使能带平直，则需在金属电极上加一负电压，使得金属上负的面电荷增加到与绝缘层中的正电荷数值相等。这样使氧化层中的正电荷发出的电力线全部终止到金属电极上而对半导体表面不发生影响，这时半导体表面恢复到平带情况（不考虑功函数差的影响）。金属电极上所加的电压即为克服影响所需要的平带电压，显然,.,23,即其中，为单位面积的总氧化层电容。如果氧化层中正电荷连续分布，则在位于x到x+dx的薄层中，面电荷密度为。设它们对平带电压的贡献为dVG2，利用（1）式，有,（6-58）,.,24,将上式对整个氧化层厚度积分，便得到与这些正电荷有关的总的平带电压,（6-60）,其中,称为有效面电荷。,利用式（6-60），若电荷片位于则,.,25,6.导出萨支唐（）方程。解：加上源漏之间的沟道电压之后，在处建立起电位，因而感应沟道电荷为由于沟道内载流子分布均匀，不存在浓度梯度，因此沟道电流只含电场作用的漂移项，漂移电流为电子电流。和（1）式代入上式，得到,（1）（6-67）,.,26,对上式从到以及到积分，得（2）式就是萨支唐（）方程。也称为漏电流方程。,（2）（6-70）,.,27,画出等效电路图，导出MOSFET的最高工作频率。解：为输出电流和输入电流之比为1时的频率，即当器件输出短路时，器件不能够放大输入信号时的频率。根据等效电路图，线性区跨导总栅电容为于是,（6-79）,（6-82）,.,28,三重要图表,图6.1、6.2、6.7、6.20,.,29,四重要习题,.,30,6-1绘出在偏压条件下MOS结构中对应载流子积累、耗尽以及强反型的能带和电荷分布的示意图，采用N型衬底并忽略表面态和功函数的影响。解：N型衬底,.,31,.,32,.,33,6-2推导出体电荷、表面电势以及表面电场的表达式，说明在强反型时他们如何依赖于衬底的掺杂浓度。在至范围内画出体电荷、表面电势及电场与的关系。解：1）强反型时：,得,.,34,可得,2）,3）由泊松方程：,，可得,.,35,表面电场：,.,36,6-4采用叠加法证明当氧化层中电荷分布为时，相应的平带电压变化可用下式表示：解：如右图所示，为消除半导体内因氧化层电荷所引起的能带弯曲，则应加0，使电力线全部被吸收到金属侧而不进入半导体内。分析：处电荷的影响,.,37,0,由,积分：,.,38,6-6利用习题6-4中的结果对下列情形进行比较。(a)在MOS结构的氧化层中均匀分布着的正电荷，若氧化层的厚度为150nm，计算出这种电荷引起的平带电压。(b