MOS电容器及MOSFET资料PPT课件

1、1本章内容 理想的MOS电容器 SiO2-Si MOS电容器 MOSFET基本原理第1页/共17页2研究半导体表面特性，研究半导体表面特性，MOS电容器用电容器用作存储电容并且是电荷耦合器件（作存储电容并且是电荷耦合器件（CCD）的基本结构单元。）的基本结构单元。 图图(a)为为MOS电容器的透视结构，电容器的透视结构，V为施加于金属板上的电压。为施加于金属板上的电压。 图图(b)为剖面结构，为剖面结构，d为氧化层厚度。为氧化层厚度。 金属板相对于欧姆接触为正偏压时金属板相对于欧姆接触为正偏压时，V为正值为正值；金属板相对于欧姆接触金属板相对于欧姆接触为负偏压时，为负偏压时，V为负值为负值。5

2、.1 理想的理想的MOS电容器电容器半导体金属绝缘体V半导体金属绝缘体V二极管的透视图MOS)(aAld0 x欧姆接触2SiOAld0 x欧姆接触2SiO二极管的剖面图MOS)b(图 5. 1(a)MOS二极管的透视图二极管的透视图半导体金属绝缘体V半导体金属绝缘体V二极管的透视图MOS)(aAld0 x欧姆接触2SiOAld0 x欧姆接触2SiO二极管的剖面图MOS)b(图 5. 1(b)MOS二极管的剖面图二极管的剖面图第2页/共17页3右图为右图为V=0时理想时理想p型半导体型半导体MOS电容器的能带图。电容器的能带图。q m、q s：金属、半导体功函数，费米能级与真空能级之间的能量差；

3、金属、半导体功函数，费米能级与真空能级之间的能量差；q：电子亲和势，半导体中导带边与真空能级的差值；：电子亲和势，半导体中导带边与真空能级的差值；qi：氧化：氧化层电子亲和势；层电子亲和势；q B：金属与氧化层的势垒；：金属与氧化层的势垒；qB：费米能级：费米能级EF与本征费米能级与本征费米能级Ei的差值。的差值。理想理想MOS电容器定义为：电容器定义为：零偏压零偏压，q ms为零，即能带是平为零，即能带是平坦的（称为坦的（称为平带条件平带条件）。）。20msmsmgBqqqqqEq任意偏压任意偏压，电容器中的电荷仅为半导体内电荷电容器中的电荷仅为半导体内电荷以及以及邻近氧化邻近氧化层的金属表

4、面电荷量层的金属表面电荷量，它们大小相等、但极性相反；，它们大小相等、但极性相反；直流偏压直流偏压，无载流子输运通过氧化层，无载流子输运通过氧化层，氧化层电阻为无穷大氧化层电阻为无穷大。第3页/共17页4半导体表面向上弯曲的能带使半导体表面向上弯曲的能带使Ei-EF的能级的能级差变大，进而提高了氧化层与半导体界面处差变大，进而提高了氧化层与半导体界面处的空穴浓度（或空穴堆积），称为的空穴浓度（或空穴堆积），称为积累积累。理想理想MOS电容器偏压为正或负时，半导体表面出现三种状况：电容器偏压为正或负时，半导体表面出现三种状况：（1）p型半导体型半导体，施加，施加负电压负电压，SiO2-Si界面处

5、诱导界面处诱导过剩的空穴过剩的空穴，半导体表面附近的半导体表面附近的能带向上弯曲能带向上弯曲。理想的理想的MOS电容器，不论外加电压多大，器件内部无电流流动电容器，不论外加电压多大，器件内部无电流流动，所以所以半导体内的费米能级将维持恒定半导体内的费米能级将维持恒定。半导体内的载流子浓度与能级差的关系：半导体内的载流子浓度与能级差的关系：expiFpiEEpnkTFECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE

6、0V0 xSQmQ积累时)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE0V0

7、 xSQmQ积累时)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布第4页/共17页5（2）外加）外加一小正电压一小正电压，靠近半导体表面的，靠近半导体表面的能带将向下弯曲能带将向下弯曲，EF=Ei，多子空穴被耗尽，称为，多子空穴被耗尽，称为耗尽耗尽。半导体内单位面积的空间。半导体内单位面积的空间电荷电荷Qsc为

8、为-qNAW，其中，其中W为表面耗尽区的宽度。为表面耗尽区的宽度。（3）外加一）外加一更大的正电压更大的正电压，能带向下弯曲更多能带向下弯曲更多，使得，使得表面的表面的Ei穿过穿过EF。SiO2-Si界面处诱导过剩的负载流界面处诱导过剩的负载流子电子。半导体中电子的子电子。半导体中电子的浓度与能级差的关系：浓度与能级差的关系：expFipiEEnnkT由于由于EF-Ei0，因此半导体表面处的电子浓度，因此半导体表面处的电子浓度npni，而空穴浓，而空穴浓度度ni，表面的电子数目大于空穴，表面呈现反型，称为，表面的电子数目大于空穴，表面呈现反型，称为反型反型。FECEiEFEVE0V0 xSQm

9、Q积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布第5页/共17页6 起初，因电子浓度较小，

10、表面处于起初，因电子浓度较小，表面处于弱反型状态，当能带持续弯曲，最弱反型状态，当能带持续弯曲，最终使得终使得EC接近接近EF。 当靠近当靠近SiO-Si界面的电子浓度等于衬界面的电子浓度等于衬底掺杂水平时，开始发生底掺杂水平时，开始发生强反型强反型。 之后，绝大部分半导体中额外的负之后，绝大部分半导体中额外的负电荷由电子电荷电荷由电子电荷Qn组成，它们位于组成，它们位于很窄的很窄的n型反型层（型反型层（0 xxi）中）中如右如右下图下图，其中，其中xi为反型层厚度。为反型层厚度。xi典型典型值为值为110nm，远小于表面耗尽层的，远小于表面耗尽层的宽度。宽度。FECEiEFEVE0V0 xS

11、QmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ

12、积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布第6页/共17页7下图为下图为p型半导体表面

13、更为详细的能带图。型半导体表面更为详细的能带图。半导体体内的静电半导体体内的静电势势定义为零定义为零，在半导体表面，在半导体表面=s，s称为称为表面势表面势。将电子与。将电子与空穴的浓度表示为空穴的浓度表示为的函数：的函数：当能带向下弯曲时，当能带向下弯曲时，为正值。为正值。表面载流子密度为表面载流子密度为expBpiq nnkTexpBpiqpnkTexpsBsiq nnkTexpBssiq pnkT一、表面耗尽区一、表面耗尽区FEVEiECE半导体表面gEBqqS0qSx半导体氧化层半导体表面x半导体氧化层第7页/共17页8根据以上的讨论，表面势可以分为以下情形：根据以上的讨论，表面势可以

14、分为以下情形： ss0：空穴耗尽（能带向下弯曲）；：空穴耗尽（能带向下弯曲）； s=B：带中情况，满足：带中情况，满足ns=np=ni（本征浓度）；（本征浓度）； sB：反型（能带向下弯曲超过费米能级）。：反型（能带向下弯曲超过费米能级）。仿照单边仿照单边n+-p结空间电荷区结论，表面势结空间电荷区结论，表面势s为为22ASsqN W其中其中NA为半导体掺杂浓度，为半导体掺杂浓度，W为半导体耗尽区宽度，为半导体耗尽区宽度，s为半导体介电为半导体介电常数。常数。第8页/共17页9表面电子浓度等于衬底杂质浓度是一个简单的判据，即表面电子浓度等于衬底杂质浓度是一个简单的判据，即ns=NA。因为因为

15、，由，由上式表明需要一个电势上式表明需要一个电势B将能带弯曲至表面本征的条件将能带弯曲至表面本征的条件（Ei=EF）；接着能带还需要再弯曲一个）；接着能带还需要再弯曲一个qB，以使表面达到强，以使表面达到强反型的状态。反型的状态。kTqnNBiAexp可得可得22lnAsBiNkTinvqn当当sB，表面发生反型表面发生反型。需要一个。需要一个判据判据来判断强反型的起点。来判断强反型的起点。在此之后则反型层中的电荷变得相当显著。在此之后则反型层中的电荷变得相当显著。FEVEiECE半导体表面gEBqqS0qSx半导体氧化层半导体表面x半导体氧化层22ASsqN W第9页/共17页10或或22l

16、n2ln2AsBiNkTinvqnsAimAkTNnWq N当表面为强反型时，当表面为强反型时，表面耗尽区宽度达到最大值表面耗尽区宽度达到最大值。于是，当。于是，当s等于等于s(inv)，可得到表面耗尽区的最大宽度，可得到表面耗尽区的最大宽度Wm。22222sssBAsmsAAinvqN WWqNqN且且22scAmsABQqN WqN 第10页/共17页其中Eo为氧化层中的电场，Qs为半导体中单位面积的电荷，Co=ox/d为单位面积的氧化层电容，相应的静电势分布如图(d)所示。二、理想MOS曲线图(a)为一理想MOS电容器的能带图，电荷的分布情形如图(b)所示。没有功函数差时，外加的电压部分

17、降落于氧化层、部分降落于半导体，因此其中Vo为氧化层的电压降，由图(c)可得osVVssoooxoQ dQVE dCFEVEiECEoqV0VsqBq中性区耗尽区反型区ixFE二极管的能带图理想MOS)(aFEVEiECEoqV0VsqBq中性区耗尽区反型区ixFEFEVEiECEoqV0VsqBq中性区耗尽区反型区ixFE二极管的能带图理想MOS)(a)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型时的电荷分布情形)(b)(sxdMQnQsQ0WxAqN)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型时的电荷分布情形)(bd0Wx)(xEooxSEQ电场分布)(cd0Wx)(xEooxSEQd0Wx)(xEoo

18、xSEQooxSEQ电场分布)(cd0WxVoVS)(x电势分布)(dd0WxVoVS)(xd0WxVoVS)(x电势分布)(d图 5. 6图(a)FEVEiECEoqV0VsqBq中性区耗尽区反型区ixFE二极管的能带图理想MOS)(aFEVEiECEoqV0VsqBq中性区耗尽区反型区ixFEFEVEiECEoqV0VsqBq中性区耗尽区反型区ixFE二极管的能带图理想MOS)(a)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型时的电荷分布情形)(b)(sxdMQnQsQ0WxAqN)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型时的电荷分布情形)(bd0Wx)(xEooxSEQ电场分布)(cd0Wx)(xE

19、ooxSEQd0Wx)(xEooxSEQooxSEQ电场分布)(cd0WxVoVS)(x电势分布)(dd0WxVoVS)(xd0WxVoVS)(x电势分布)(d图 5. 6图(b)FEVEiECEoqV0VsqBq中性区耗尽区反型区ixFE二极管的能带图理想MOS)(aFEVEiECEoqV0VsqBq中性区耗尽区反型区ixFEFEVEiECEoqV0VsqBq中性区耗尽区反型区ixFE二极管的能带图理想MOS)(a)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型时的电荷分布情形)(b)(sxdMQnQsQ0WxAqN)(sxdMQnQsQ0WxAqN反型时的电荷分布情形)(bd0Wx)(xEooxSE

20、Q电场分布)(cd0Wx)(xEooxSEQd0Wx)(xEooxSEQooxSEQ电场分布)(cd0WxVoVS)(x电势分布)(dd0WxVoVS)(xd0WxVoVS)(x电势分布)(d图 5. 6图(c)图(d)11第11页/共17页由上式和MOS电容器的总电容C为氧化层电容Co与半导体中的耗尽层电容Cj的串联，如左图所示。其中Cj=s/W，如同突变p-n结一样。 2ojojC CCF cmCCTVoCminCVdoCjC0TVoCminCTVoCminCVdoCjCVdoCjCdoCjC0VV /插图为串联的电容器部分图，虚线显示其近似高频VCMOS(a)VV /6 . 08 . 0

21、0 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200dVV /6 . 08 . 00 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200d图的频率效应VCb)(图 5.7可消去W，得到电容的公式：sAsWqN22222121ooxAsCF cmCVqNdosVVssoooxoQ dQVE dC12第12页/共17页 强反型发生时，耗尽区宽度将不再随偏压的增加而增加，该情况发生于金属极板电压使表面势s达到s(inv)时，将s(inv)代

22、入V=Vo+s，注意单位面积的电荷为qNAWm，可得强反型刚发生时的金属板电压，称为阈值电压： 表面开始耗尽时，电容将随着金属极板上电压的增加而下降。 外加电压为负时，无耗尽区，在半导体表面得到积累的空穴，因此，总电容将很接近氧化层电容ox/d。222sABSAmTSSBoooqNQqN WVinvinvCCC222121ooxAsCF cmCVqNd13第13页/共17页一理想MOS电容器的典型电容-电压特性如右图所示，包含耗尽近似与精确计算值（实线）。注意两者相当接近。一旦强反型发生，总电容将保持在最小值，此时有Cj=s/WmmsoxoxWdCminTVoCminCVdoCjC0TVoCminCTVoCminCVdoCjCVdoCjCdoCjC0VV /插图为串联的电容器部分图，虚线显示其近似高频VCMOS(a)VV /6 . 08 . 00 . 1010201020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi316Acm1045. 1Nnm200dVV /