第五章 1 MOS电容

1、第五章 MOS电容 中国计量学院光电学院中国计量学院光电学院 半导体器件中国计量学院光电学院 为什么要介绍MOS电容？ n随机存储器RAM的电荷存储元件 n频繁的应用于线性电路和数字电 路中 n现代电子器件MOSFET，就是建 立在MOS的基础之上 半导体器件中国计量学院光电学院 集成电路结构 为什么有为什么有P+？ 氧化层的厚度为什氧化层的厚度为什 么不一样？么不一样？ 栅氧栅氧 场氧场氧 半导体器件中国计量学院光电学院 C-V曲线 半导体器件中国计量学院光电学院 0 GFB VV 剖面图剖面图 能带图能带图 有效栅压有效栅压 半导体器件中国计量学院光电学院 n硅衬底中的能带弯曲量硅衬底中的

2、能带弯曲量 n是是MOS电容特性中一个非常重要的电容特性中一个非常重要的 参数参数 n表面势是相对于硅衬底的体势能的一表面势是相对于硅衬底的体势能的一 个参考能级个参考能级 n注意与功函数的区别！注意与功函数的区别！ 表面势表面势 s q 半导体器件中国计量学院光电学院 积累模式 n在积累模式，表面势的改变相较于栅压在积累模式，表面势的改变相较于栅压 的改变量是可以被忽略的的改变量是可以被忽略的 n这意味着栅压的任何变化的绝大部分都这意味着栅压的任何变化的绝大部分都 会穿过氧化层会穿过氧化层 n电容等于栅氧电容，与栅压独立。电容等于栅氧电容，与栅压独立。 ox ox ox C t 半导体器件中

3、国计量学院光电学院 外加一个较小的正有效栅压 半导体器件中国计量学院光电学院 剖面图剖面图 能带图能带图 GFBMG VVV 半导体器件中国计量学院光电学院 耗尽模式耗尽模式 n耗尽层电容依赖于外加电压耗尽层电容依赖于外加电压 n更大的栅电压会产生一个更宽的耗尽层，更大的栅电压会产生一个更宽的耗尽层， 电容也就越小电容也就越小 n随着栅压的增加，整体电容会减小随着栅压的增加，整体电容会减小 MOS电容的这种工作模式称为耗尽模电容的这种工作模式称为耗尽模 式式 半导体器件中国计量学院光电学院 耗尽模式耗尽模式 n表面势紧随着栅压的改变而改变表面势紧随着栅压的改变而改变 n这表示几乎整个栅压的改变

4、量都落在了半这表示几乎整个栅压的改变量都落在了半 导体表面的耗尽层导体表面的耗尽层 n耗尽层仿佛是栅氧之外附加的一个电介质耗尽层仿佛是栅氧之外附加的一个电介质 层层 n耗尽层电容与氧化层电容串联在一起，整耗尽层电容与氧化层电容串联在一起，整 个个MOS电容为电容为 111 oxd CCC 半导体器件中国计量学院光电学院 C-V曲线 半导体器件中国计量学院光电学院 特征点VMG n这个特征点可以用能带图来解释这个特征点可以用能带图来解释 特征点特征点 半导体器件中国计量学院光电学院 特征点VMG n栅压增加超过平带电压后，沿着价带顶栅压增加超过平带电压后，沿着价带顶 与费米能级之间差异增加的方向

5、产生了与费米能级之间差异增加的方向产生了 能带的弯曲能带的弯曲 n这种情形是与表面的空穴减少（甚至最这种情形是与表面的空穴减少（甚至最 终消除）相联系的终消除）相联系的 n能带弯曲的结果是使禁带中央（能带弯曲的结果是使禁带中央（Ei线）线） 接近费米能级。接近费米能级。 n特征点就是当禁带中央特征点就是当禁带中央Ei线恰好与表面线恰好与表面 处的费米能级相交的点处的费米能级相交的点 半导体器件中国计量学院光电学院 特征点VMG n在特征点处，硅衬底的表面处于本征硅在特征点处，硅衬底的表面处于本征硅 的情形下的情形下 n当能带的弯曲大于它时，禁带中央当能带的弯曲大于它时，禁带中央Ei线线 在某一

6、点会穿过费米能级，使得费米能在某一点会穿过费米能级，使得费米能 级相较于离开价带顶的距离而言更接近级相较于离开价带顶的距离而言更接近 于导带底于导带底 n这意味着电子（这意味着电子（P型衬底中的少子）的浓型衬底中的少子）的浓 度大于硅表面空穴的浓度度大于硅表面空穴的浓度在表面产在表面产 生了一个反型层生了一个反型层 费米能级的变化表费米能级的变化表 示了什么？示了什么？ 弱弱 反反 型型 半导体器件中国计量学院光电学院 注意 n反型层中的电子（反型层中的电子（P型区中的少子）来自型区中的少子）来自 于热产生的电子于热产生的电子-空穴对。空穴对。 n由于热产生是一个很缓慢的过程，电子由于热产生是

7、一个很缓慢的过程，电子 无法快速的响应栅压的改变。无法快速的响应栅压的改变。 n因此当栅信号的频率高于因此当栅信号的频率高于100Hz时，所时，所 描述的这种电容的增加无法观察到。描述的这种电容的增加无法观察到。 n高频电容由所能达到的最大耗尽层宽度高频电容由所能达到的最大耗尽层宽度 决定。决定。 半导体器件中国计量学院光电学院 能带图能带图 剖面图剖面图 GFBT VVV 半导体器件中国计量学院光电学院 强反型 n在强反型中，栅压的变化不会导致表面势的在强反型中，栅压的变化不会导致表面势的 显著变化显著变化 n这即是说，表面势有一个固定值这即是说，表面势有一个固定值 n方便起见，方便起见，

8、我们假设在强反型模式下我们假设在强反型模式下 2 sF 半导体器件中国计量学院光电学院 使表面势达到 的栅压被定义为阈值电压 阈值电压 2 F T V 半导体器件中国计量学院光电学院 强反型的C-V曲线 半导体器件中国计量学院光电学院 半导体的功函数 n对于半导体而言，功函数依赖于？ n掺杂类型和掺杂水平 n因为费米能级的位置会随着掺杂而 改变。 2 g SSF E qqq 半导体器件中国计量学院光电学院 费米势 n一个重要的半导体参数 n表达了掺杂的类型和水平 FiF qEE ln ln A i D i N kT qn F N kT qn for P for N 半导体器件中国计量学院光电学

9、院 对于Si ms q 2 g msmsF E qqqq q 半导体器件中国计量学院光电学院 注意 n强反型模式的开启由阈值电压的值决定。强反型模式的开启由阈值电压的值决定。 n与阈值电压有关的两个近似：与阈值电压有关的两个近似： 半导体器件中国计量学院光电学院 P型衬底的MOS电容阈值电压： N型衬底的MOS电容阈值电压： 2 22 sA TFBFF ox qN VV C 2 sA ox qN C 22 TFBFF VV 2 sD ox qN C 22 TFBFF VV 半导体器件中国计量学院光电学院 VFB 对实际的对实际的MOS结构来说，结构来说，VFB可分为两个可分为两个 部分：部分：

10、 12FBFBFB VVV 1FBms V 0 2FB ox Q V C 半导体器件中国计量学院光电学院 例1、计算阈值电压 MOS电容的工艺参数及相应的物理参数值 参数参数符号符号值值 衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度NA21016cm-3 栅氧厚度栅氧厚度tox30nm 氧化层电荷密度氧化层电荷密度Q0/q51010cm-2 栅的类型栅的类型N+多晶硅多晶硅 本征载流子浓度本征载流子浓度ni1.021010cm-3 带隙宽度带隙宽度Eg1.12eV 室温下的热电压室温下的热电压Vt=kT/q0.026 二氧化硅介电常数二氧化硅介电常数 ox3.4510-11F/m 硅介电常数硅介电常数 s1.0410-10F/m 半导体器件中国计量学院光电学院 阈值电压的设计 n 在CMOS（互补MOS）集成电路工艺中， 对于P型衬底和N型衬底必须要提供绝对 值相等的阈值电压。 n 对于N型衬底的MOS结构，我们有必要 确定其施主浓度ND的值，以保证其阈值 电压与P型衬底的MOS电容阈值电压的 绝对值相等。 半导体器件中国计量学院光电学院 平平 带带 半导体器件中国计量学院光电学院 如何绘制MOS电容的能带图？ n和之