MOSFET基础1(MOS结构-CV特性)课件

第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础1第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础111.1双端ＭＯＳ结构11.2电容－电压特性11.3ＭＯＳＦＥＴ基本工作原理11.4频率限制特性11.5ＣＭＯＳ技术11.6小结11.1双端ＭＯＳ结构211.1双端MOS结构11.1.1能带图11.1.2耗尽层厚度11.1.3功函数差11.1.4平带电压11.1.5阈值电压11.1.6电荷分布311.1双端MOS结构11.1.1能带图311.1MOS电容

MOS电容结构氧化层厚度氧化层介电常数Al或高掺杂的多晶Sin型Si或p型SiSiO2411.1MOS电容实际的铝线-氧化层-半导体

（M:约10000AO:250AS:约0.5~1mm）5实际的铝线-氧化层-半导体

（M:约10000AO:2511.1MOS电容

表面能带图:p型衬底(1)负栅压情形导带底能级禁带中心能级费米能级价带顶能级611.1MOS电容表面能带图:p型11.1MOS电容

表面能带图:p型衬底(2)小的正栅压情形大的正栅压情形(耗尽层)(反型层+耗尽层)711.1MOS电容表面能带图:p型11.1MOS电容

表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形811.1MOS电容表面能带图:n型11.1MOS电容

表面能带图:n型衬底(2)小的负栅压情形大的负栅压情形(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型911.1MOS电容表面能带图:n型小节内容11.1.1能带图随便画能带图,要知道其半导体类型加什么电压往那里弯曲10小节内容11.1.1能带图1011.1MOS电容

空间电荷区厚度:表面耗尽情形费米势表面势表面空间电荷区厚度半导体表面电势与体内电势之差半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势表示采用单边突变结的耗尽层近似P型衬底1111.1MOS电容空间电荷区厚度:表面耗尽情形费11.1MOS电容

空间电荷区厚度:表面反型情形阈值反型点条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度表面空间电荷区厚度P型衬底表面电子浓度：体内空穴浓度：栅电压=阈值电压表面空间电荷区厚度达到最大值1211.1MOS电容空间电荷区厚度:表面反型情形阈值11.1MOS电容

空间电荷区厚度:n型衬底情形阈值反型点条件：表面势=费米势的2倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，栅电压=阈值电压表面空间电荷区厚度表面势n型衬底1311.1MOS电容空间电荷区厚度:n型衬底情形阈11.1MOS电容

空间电荷区厚度:与掺杂浓度的关系实际器件参数区间1411.1MOS电容空间电荷区厚度:与掺杂浓度的关系实际小节内容11.1.2耗尽层厚度耗尽情况反型情况会算其厚度了解阈值反型点条件常用器件掺杂范围15小节内容11.1.2耗尽层厚度1511.1MOS电容

功函数差:MOS接触前的能带图金属的功函数金属的费米能级二氧化硅的禁带宽度二氧化硅的电子亲和能硅的电子亲和能绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，1611.1MOS电容功函数差:MOS接触前的能带11.1MOS电容

功函数差:MOS结构的能带图条件：零栅压，热平衡零栅压下氧化物二侧的电势差修正的金属功函数零栅压下半导体的表面势修正的硅的电子亲和能二氧化硅的电子亲和能1711.1MOS电容功函数差:MOS结构的能11.1MOS电容

功函数差:计算公式内建电势差：功函数差1811.1MOS电容功函数11.1MOS电容

功函数差:n＋掺杂多晶硅栅(P-Si)<0近似相等n+掺杂至简并简并：degenerate退化，衰退1911.1MOS电容功函数差:n＋掺杂多晶硅栅(11.1MOS电容

功函数差:p＋掺杂多晶硅栅(P-Si)p+掺杂至简并≥02011.1MOS电容功函数差:p＋掺杂多晶硅栅(P11.1MOS电容

功函数差:n型衬底情形负栅压的大小2111.1MOS电容功函数差:11.1MOS电容

功函数差:与掺杂浓度的关系2211.1MOS电容功函数差:与掺杂浓度的11.1MOS电容

平带电压:定义MOS结构中半导体表面能带弯曲的动因金属与半导体之间加有电压（栅压）半导体与金属之间存在功函数差氧化层中存在净的空间电荷平带电压定义：使半导体表面能带无弯曲需施加的栅电压来源：金属与半导体之间的功函数差，氧化层中的净空间电荷单位面积电荷数金属上的电荷密度2311.1MOS电容平带电11.1MOS电容

平带电压:公式Vox0+

s0=-

ms零栅压时：单位面积电荷数金属上的电荷密度2411.1MOS电容平带小节内容11.1.4平带电压来源定义如果没有功函数差及氧化层电荷,平带电压为多少?如何算25小节内容11.1.4平带电压2511.1MOS电容阈值电压:公式阈值电压：达到阈值反型点时所需的栅压表面势=费米势的2倍|QSDmax|=eNaxdTQSDns忽略反型层电荷2611.1MOS电容阈值电压:公式阈值电压：达到阈值反型点11.1MOS电容阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系P型衬底MOS结构Q‘ss越大，则VTN的绝对值越大；Na越高，则VTN的值（带符号）越大Na很小时，VTN随Na的变化缓慢，且随Q’ss的增加而线性增加

Na很大时，VTN

随Na

的变化剧烈，且与Q’ss

的相关性变弱2711.1MOS电容阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系P11.1MOS电容阈值电压:导通类型VTN>0MOSFET为增强型VG=0时未反型，加有正栅压时才反型VTN<0MOSFET为耗尽型VG=0时已反型，加有负栅压后才能脱离反型P型衬底MOS结构2811.1MOS电容11.1MOS电容阈值电压:n型衬底情形2911.1MOS电容阈值费米势表面耗尽层最大厚度单位面积表面耗尽层电荷单位面积栅氧化层电容平带电压阈值电压11.1MOS电容n型衬底与p型衬底的比较p型衬底MOS结构n型衬底MOS结构阈值电压典型值金属-半导体功函数差30费米势表面耗尽层最大厚度单位面积表面耗尽层电荷单位面积栅氧化11.1MOS电容表面反型层电子密度与表面势的关系3111.1MOS电容表面反型层电子密度与表面势的关系3111.1MOS电容表面空间电荷层电荷与表面势的关系堆积平带耗尽弱反型强反型3211.1MOS电容表面空间电荷层电荷与表面势的关系堆积小节内容11.1.6电荷分布分布图11.1.5阈值电压概念电中性条件与谁有关?如何理解?N型P型及掺杂的关系33小节内容11.1.5阈值电压3311.2节内容理想情况CV特性频率特性氧化层电荷及界面态的影响实例3411.2节内容理想情况CV特性3411.2C-V特性什么是C-V特性？平带电容-电压特性3511.2C-V特性什么是C-V特性？平带电容-电压特性3511.2C-V特性堆积状态加负栅压，堆积层电荷能够跟得上栅压的变化，相当于栅介质平板电容平带本征3611.2C-V特性11.2C-V特性平带状态所加负栅压正好等于平带电压VFB，使半导体表面能带无弯曲平带本征3711.2C-V特性11.2C-V特性耗尽状态加小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅压的变化而变化，出现耗尽层电容平带本征C’相当与Cox与Csd’串联3811.2C-V特性11.2C-V特性强反型状态(低频)加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层电荷跟得上栅压的变化平带本征3911.2C-V特性11.2C-V特性n型与p型的比较p型衬底MOS结构n型衬底MOS结构4011.2C-V特性11.2C-V特性反型状态(高频)加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅压变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电容对C有贡献。此时，耗尽层宽度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。栅压频率的影响4111.2C-V特性小节内容理想情况CV特性CV特性概念堆积平带耗尽反型下的概念堆积平带耗尽反型下的计算频率特性高低频情况图形及解释42小节内容理想情况CV特性4211.2C-V特性氧化层电荷的影响例图:如果Qss均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电,所以平带电压更负-----++4311.2C-V特性氧11.2C-V特性界面陷阱的分类被电子占据（在EFS之下）带负电，不被电子占据（在EFS之上）为中性被电子占据（在EFS之下）为中性，不被电子占据（在EFS之上）带正电（界面陷阱）受主态容易接受电子带负电正常情况热平衡不带电施主态容易放出电子带正电图11.32氧化层界面处界面态示意图界面态：半导体界面处允许的能态4411.2C-V特性11.2C-V特性界面陷阱的影响:堆积状态堆积状态：界面陷阱带正电，C-V曲线左移，平带电压更负例图:需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电,所以平带电压更负------+++施主态容易放出电子带正电4511.2C-V特性界面陷阱的影响:堆禁带中央：界面陷阱不带电，对C-V曲线无影响11.2C-V特性界面陷阱的影响:本征状态46禁带中央：界面陷阱不带电，对C-V曲线无影响11.2C