半导体物理基础---第六章---MOSPPT课件

. 1、第6章金属氧化物半导体场效应晶体管Lienfeld和Heil从30年代初就提出了表面场效应晶体管的原理。 40年代末Shockley和Pearson进行了深入的研究。 1960年Kahng和Alalla采用热氧化硅结构制备了最初的MOSFET.MOSFET。 MOSFET是大规模集成电路的主要器件。 MOSFET是英语缩写。 其他称呼包括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。 2，6.1理想MOS结构的表面空间电荷区，3，6.1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)氧化物中或氧化物与半导体之间的界面处不存在电荷； (2)如图6-2b所示，金属与半导体功函数差为零. 因为假定(1)、(2)，所以在无偏置时半导体带是平的。 (3)层是良好的绝缘体，可以阻止直流电流的流动。 因此，即使有施加电压，表面空间电荷区域也处于热平衡状态，在整个表面空间电荷区域费米能级一定。 稍后取消这些假设并接近实际的MOS结构。4、6.1理想的MOS结构的表面空间电荷区域、半导体表面空间电荷区域：在各极板上的感应电荷与电场之间，满足以下关系式(6-1)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=空间电荷区域在半导体内部的边界即空间电荷区域宽度： 施加电压被分配为跨越氧化层的电压和表面电位：，(6-2)，5，6.1理想的MOS结构的表面空间电荷区域，在图6-3施加电压时的MOS结构内的电位分布，6，6.1理想的MOS结构的表面空间电荷区域，载流子积蓄，耗尽化， 当倒型载流子积累接近硅表面的多数载流子浓度大于体内的热平衡多数载流子浓度时，称为载流子积累现象。 对于每单位面积的空间电荷：7，6.1理想MOS结构的表面空间电荷区域，在图6-4的某些偏置的情况下，电荷分布(a )，(b )小的是，8，6.1理想MOS结构的表面空间电荷区域，(c )大的是载流子载波反转型：载波类型发生变化的现象，或者半导体的导电类型发生变化的现象。 图6-4几种偏置情况下的带和电荷分布： (a )、(b )小，(c )大)，(6-7)、(6-5)，9，6.1理想MOS结构的表面空间电荷区域，6.1.3逆型和强逆型条件逆型条件； 强反型条件式中出现强反型时的表面势。 由于，6.1理想的MOS结构的表面空间电荷区域， 整个表面空间电荷是作为反转层中的每单位面积的可动电荷的沟道电荷，是汇总了、(6-19 )、(6-20 )、(6-21 )、(6-52 )，12，6.1理想的MOS结构的表面空间电荷区域的理想的MOS结构(2)如图6-2b所示，金属与半导体功函数差为零. 因为假定(1)、(2)，所以在无偏置时半导体带是平的。 (3)层是良好的绝缘体，可以阻止直流电流的流动。 因此，即使有施加电压，表面空间电荷区域也处于热平衡状态，在整个表面空间电荷区域费米能级一定。 偏压使半导体表面具有表面电势，产生表面空间的电荷区域。 空间电荷和电场具有以下关系(6-1)，费米势的概念：逆型和强逆型条件：逆型条件强反型条件， 从、电磁场的边界条件导出空间电荷和电场的关系，把握载流子的蓄积、耗尽和反型和强反型的概念。 正确描绘了流子的积蓄、耗尽和反型和强反型四种情况的带图。 导出逆型和强逆型的条件，将、(6-1)，15，6.2理想MOS电容器、每个系统单位面积的微分电容c和施加偏压的关系称为MOS系统的电容-电压特性。 如果是、(6-23 )、(6-24 )、17、6.2理想的MOS电容器，=绝缘层的每单位面积的容量，=半导体表面空间电荷区域的每单位面积的容量。 称为系统的规范化容量。，(6-26 )，(6-28 )，(6-29 )，18，6.2理想的MOS电容器是把与偏置电压对应的容量变化分成几个区域，其变化的概略如图6-7所示。，图6-7的p型半导体MOS的C-V特性，19，6.2理想MOS电容器，存储区域(0)氧化层容量为，(6-42 )，(6-44 )，和，(6-5)，(6-6)，21，6.2理想MOS电容器逆型如果代入，(6-45 )，(6-46 )，(6-47 )，22，6.2理想的MOS电容器的话，集中MOS电容器在绝缘层单位面积电容导体表面的空间电荷区域单位面积电容，(6-22 )， (6-29 )、(6-25 )、，23，6.2理想的MOS电容器的理想系统的电容-电压特性通过总结归一化电容在耗尽区域中归一化的MOS电容随着施加偏置的增加而减少而绘制(图6.7 )。 通过掌握，6.2理想的MOS电容器，教学要求，理想的系统容量-电压特性，正确分析了图6.7。 导出，式(6-45 )，(6-46 )。，25，6.3通道电导和阈值电压，26，6.3通道电导和阈值电压，通道电导方式中通道中的电子浓度。 信道宽度。 即，逆型层中的每单位面积的总电子电荷信道电导被定义为(6-51 )、(6-52 )、(6-53 )、27、6.3信道电导和阈值电压，2阈值电压：形成强逆型所需的最小栅极电压。 出现强逆型时，信道电荷受到偏置控制，这是MOSFET动作的基础。 阈值电压：第一项说明了形成强反转型时在一些电压下支持空间电荷的第二项提供了在一些电压下达到半导体表面的强反转型所需的表面电势。 (6-51 )、(6-54 )、(6-55 )、，28，6.3通道电导和阈值电压两个概念的总结，30，6.4实际MOS的电容-电压特性，31，6.4实际的MOS的电容-电压特性，功函数差的影响，32，6.4实际的MOS的电容-电压特性，以铝电极和p型硅基板为例。 铝的功函数小于硅，前者的费米能级高于后者。 接触前、功函数差-=-()0。 因此，为了使带平坦，即消除功函数差的影响，必须对金属电极施加负电压。 关于(6-56 )、33、6.4实际MOS的电容-电压特性、34、6.4实际MOS的电容-电压特性，在室温下硅的校正功能(6-57 )用作有效电压。 在形式上，系统作为电容器c的实际函数应当与系统作为理想的MOS系统c的函数相同。、35、6.4实际MOS的电容-电压特性、界面阱与氧化物电荷的影响、36、6.4实际MOS的电容-电压特性、界面阱电荷(interfacetrappedcharge )硅(100 )面、约、硅(111 )面、约。 氧化物固定电荷在界面约3nm的范围内，这些电荷是固定的和正的。 由于(100 )面、约(111 )面、约(100 )面之和较低，因此硅MOSFET一般采用(100 )面。 氧化物俘获电荷(oxidetrappedcharge )几乎可以通过低温退火去除。 钠离子和其他碱金属离子等可动离子电荷在高温和高压下工作时在氧化层内移动。 对于、37、6.4实际的MOS的电容-电压特性，克服硅-硅界面电荷和硅中电荷的影响所需要的平带电压：正电荷在氧化层中连续分布，如果电荷体密度为，则总的平带电压、(6-58 ) (6-59 )，(6-60 )，(38，6.4 )是实际的MOS的电容-电压特性，称为有效面电荷。 实际的硅-二氧化硅体系：(6-64 )，39，6.4实际的MOS的容量-电压特性， 第一项是为了消除半导体与金属功函数差的影响而对半导体需要金属电极的施加电压，第二项是为了将绝缘层中产生正电荷的电力线全部吸引到金属电极侧而需要的施加电压为了支持强逆型出现时的体电荷所需的施加电压第四项是强反型层开始出现时半导体表面所需的表面电势。 总结了、(6-65 )、(6-66 )、40、6.4实际MOS的容量-电压特性，描绘了铝-二氧化硅-硅系的带图. 功函数差异-=-()0。 因此，为了使带平坦，即消除功函数差的影响，需要在金属电极上使负电压：这一电压的一部分平坦化，使一部分平坦化半导体带，使其为=0，由此称为平坦带电压。(6-65 )，41，6.4实际MOS的电容-电压特性总结了二氧化硅、二氧化硅界面系统中存在的电荷：界面捕获电荷(interfacetrappedcharge )氧化物捕获电荷(fixedoxidecharge )活动离子电荷对于、42、6.4实际的MOS的电容-电压特性，归纳为了克服位于二氧化硅内的x的电荷片引起的带弯曲所需的带电压，若位于二氧化硅界面，则正电荷在氧化层中连续分布，若电荷体密度为、43、6.4总结实际MOS的电容-电压特性：将实现平带条件所需的偏置电压称为平带电压(6-65 )，导入平带电压的意义之一是使理想的MOS的C-V曲线沿着电压轴偏移，44， 6.4总结实际MOS的电容-电压特性，实际的阈值电压的第1项是为了消除半导体与金属的功函数差的影响，金属电极减去半导体所需要的栅极偏置电压(功函数差引起的带弯曲所需要的栅极偏置电压) . 绝缘层中产生正电荷的电力线全部吸引到金属电极侧所需要的栅极偏置电压(即，由于收录机和硅-二氧化硅中的电贺状的带弯曲所需要的栅极偏置电压)， 第三项是用于支撑出现强逆型时的体电荷所需的施加电压，第四项是在开始出现强反型层时半导体表面所需的表面电势。、铝-二氧化硅-N型硅系式(6-66 )中4个为负，而铝-二氧化硅P-型硅系式(6-66 )中的第3项、第4项为正. 在这两种情况下，第一项和第二项总是负的。、45、6.4实际MOS的电容-电压特性，教学要求描绘铝-二氧化硅系统的带图。根据乐队图(6-56 )是否相等？ 了解二氧化硅、二氧化硅-硅界面体系中存在的电荷及其主要性质。 关于、，46，6.4实际的MOS的容量电压特性，平带电压式为什么要求把握实际的阈值电压的式子和各项目的意义，为什么把理想的MOS的cv曲线沿着电压轴偏移的话能得到实际的MOS的cv曲线？ 关于铝-二氧化硅-P型硅系和铝-二氧化硅-N型硅系的分析式(6-66 )的各项目的符号。 工作：6.4、6.5、6.6、6.7和6.8。，(6-58 )，(6-64 )，47，6.5 mos场效应晶体管，48，6.5 mos场效应晶体管，基本结构和工作过程，图6-15MOSFET的工作状态和输出特性： (a )低泄漏电压时，49， 6.5mos场效应晶体管，基本结构和动作过程，图6-15MOSFET的动作状态和输出特性： (b )开始饱和的50，6.5 mos场效应晶体管，基本结构和动作过程：， 图6-15MOSFET的工作状态和输出特性： (c )饱和后，51，6.5 mos场效应晶体管，静态特性，图6-16N沟道mos晶体管，52 6.5MOS场效应晶体管，线性区域在以下分析中采用主要假定： (1)源极区域和(2)假设信道内掺杂均匀的(3)反向层中的载波迁移率为常数的(4)长信道近似和渐近信道近似，即垂直电场和水平电路彼此独立。 可将、53和6.5mos场效应晶体管以及线性区域感应信道电荷(6-67 )漂移电子电流(6-70