第十六章_MOS结构基础.ppt

1、第十六章 MOS结构基础,本章作业：16.1, 16.4, 16.8, 16.9, 16.13,16.15,补充基本概念,真空能级：电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量 功函数：从费米能级到真空能级的能量差 电子亲和势：从半导体表面的导带到真空能级的能量差 金属M，对某一金属是一定的，对不同金属是不同的 半导体S= +（EC-EF）FB，随掺杂浓度而变 对同一种半导体而言是一定的，Ge,Si,GaAs分别为4.0, 4.03, 4.07eV.,16.1理想MOS结构的定义,（1）金属栅足够厚 ,是等势体 （2）氧化层是完美的绝缘体 无电流流过氧化层 （3）在氧化层中或氧化层-半 导体界面没

2、有电荷中心 （4）半导体均匀掺杂 （5）半导体足够厚，无论VG 多大，总有零电场区域 （6）半导体与器件背面金属 之间处于欧姆接触 （7）MOS电容是一维结构，所有 变量仅是x的函数 （8）M= S=+(EC-EF)FB,图16.1 金属-氧化物-半导体电容,栅,背接触或衬底接触,0.011.0m,16.2静电特性-定性描述,1。图示化辅助描述-能带图和电荷块图,表面,（1）热平衡能带图,由分立能带图得到MOS能带图包括两个步骤； （a）将M和S放到一起相距为x0，达到平衡时，M和S的费米能级必须持平；因假设M= S真空能级也必须对准。（在M-空隙-S系统的任何地方都没有电荷和电场） （b)将

3、厚度为x0的绝缘体插入M与S之间的空隙。,（2）电荷块图,平衡条件下在理想MOS结构中任何地方都没有电荷。 在MOS电容上加电压后，在M-O附近的M中以及O-S界面处会出现电荷。如右图的电荷块图。 电荷块图本质上是一种定性表示，可定性说明电荷的大小和耗尽区的宽度。不考虑电荷在空间的具体分布 在建立电荷块图时，代表正、负电荷的面积应相等,2外加偏置的影响,正常情况下，MOS电容背面接地，VG定义为加在栅上的直流偏置。 由于在静态偏置条件下没有电流流过器件，所以费米能级不受偏置的影响，且不随位置变化。 半导体体内始终保持平衡，与MOS栅上加电压与否无关 所加偏置VG引起器件两端费米能级移动：EFM

4、-EFS=-qVG VG0导致器件内部有电势差，引起能带弯曲。金属是等势体，无能带弯曲。绝缘体中的电场为匀强电场，电势和电势能是位置x的线性函数， VG 0，绝缘体和半导体中的能带向上倾斜，反之，向下倾斜。 在半导体体内，能带弯曲消失。,N型衬底,2。外加偏置的影响,图16.5 理想n型MOS电容的不同静态 偏置下的能带图和对应的电荷块图,2。外加偏置的影响,特殊偏置区域,n型半导体 VG0 ,能带图如（a)所示，根据 在O-S 界面附近的电子浓度大于半导体体内的浓 度，称为“积累”。 VG0, (较小负偏置），电子的浓度在O-S界面附近降低，称为电子被“耗尽”，留下带正电的施主杂质。 若负偏

5、电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯曲，在表面的空穴浓度越来越多，增加到图16.（e),(f)所示情况时：ps=ND, VG=VT时，表面不再耗尽，反型和耗尽的转折点 VGVT时, 表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这种情况称为“反型”。,图16.6 p型器件在平带、积累、耗尽、反 型情况下的能带图和对应的电荷块图,特殊偏置区域,p型半导体 VG0, (较小负偏置），空穴的浓度在O-S界面附近降低，称为空穴被“耗尽”，留下带负电的受主杂质。 若正偏电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯曲，在表面的电子浓度越来越多，增加到ns=NA, VG=VT时，表面不再耗尽 VGVT时, 表面少数

6、载流子浓度超过多数载流子浓度，这种情况称为“反型”。,VG,16.3 静电特性-定量公式,图16 .7 静电参数,目标：确定表面势s和费米势F 与MOS偏置状态的关系 取Ei（体内）为零电势能点， 则任一x处电子的电势能为 Ei(x)-Ei(体内）=-q (x),任一点电势,表面势,费米势,F的正负和大小与Si衬底的导电类型和掺杂浓度有关,p型半导体,n型半导体,确定表面势s和费米势F与MOS偏置状态的关系 平带 积累 耗尽 耗尽-反型过渡点 反型 n 型 s=0 s0 2 F 2 F,s,16.3 静电特性-定量公式,1半导体静电特性的定量描述 目标：建立在静态偏置条件下，理想MOS电容内部

7、 的电荷，电场E和电势 金 属： M-O界面电荷分布在金属表面 几范围内 =， E=0 ，=常数 绝缘体： =0， E=Eox ，=Eoxx0 半导体：体内E=0处 =0,= （0） E=0 （x0) =0 (x0),耗尽近似解,半导体中积累,以p型半导体为例,MOS电容的半导体中电荷密度和电势的精确解,半导体中耗尽层宽度,耗尽层中的电荷密度,泊松方程,电 场,电势,表面势,x=W处， E（W)=0, (W)=0,边界条件,耗尽层宽度和表面势的关系,最大耗尽层宽度,栅电压关系,目标：建立栅电压VG与半导体的表面势s二者的定量关系,外加栅电压VG，部分降落在半导体中， 部分降落在SiO2层中 V

8、G=semi+ox semi=(0)-(w)=s-0= s VG=s+ ox 转化为确定ox与s的关系,目标：确定SiO2中的电势差ox,理想SiO2中： =0,泊松方程：,x0为SiO2的厚度,目标：利用边界条件把SiO2中的电场和半导体中的电场联系起来,根据理想假设，在O-S界面处无电荷，QO-S=0,图16.10栅电压与半 导体表面势的关系,结论： 积累和反型时，s的很小变化需要较大的栅压变化。 耗尽时， s随 VG变化很快。,反型,积累,耗尽,16.4 电容-电压特性,MOS中无直流电流流过，所以MOS电容中最重要的特性就是C-V特性，把理想C-V特性曲线和实测C-V曲线比较，可以判断

9、实际MOS电容与理想情况的偏差。而且在MOS器件制备中，MOS电容的C-V特性检测也常作为一种常规的工艺检测手段。 本节的目标讨论低频、高频条件下MOS电容的C-V特性,（ a) Keithley高、低频测量系统,(b) n型MOS电容高、低频C-V特性实例,C,积累,平带,耗尽,反型,转折点,积累； 直流O-S界面积累多子，多子在10-10-10-13秒的时间内达到平衡。加交变信号，积累电荷的改变量Q，只在界面附近变化，因此MOS电容相当于平板电容器,AG是MOS电容的栅面积,以nMOS为例分析,耗尽： 栅上有-Q电荷，半导体中有+Q的受主杂质ND+，ND+的出现是由于多子被排斥，因此器件工

10、作与多子有关，仍能在10-10-10-13秒内达到平衡，交流信号作用下，耗尽层宽度在直流值附近呈准静态涨落，所以MOS电容看作两个平板电容器的串联。,(氧化层电容),（半导体电容）,在耗尽区W随VG的增大而增大，所以C随VG的增大而减小 VG从0VT，W从0 WT，Cdep从CO CT,反型 直流偏置使W=WT，O-S界面堆积很多少子，少子的产生过程很慢。在交流信号作用下 平衡栅电荷的变化少子电荷的变化， 耗尽层宽度的变化， 究竟哪一种电荷起主要作用呢？ 低频0， 少子的产生和消除跟得上交流信号的变化，此时如同在积累情况,（0）,高频： 少子的变化跟不上交流信号的变化，此时少子的数目固定在直流

11、时的值，主要依靠耗尽层宽度的变化来平衡栅电荷的变化，类似于耗尽偏置,积累,耗尽,）,反型（,其中,=,反型（,（,2、计算和测试,耗尽近似特性是一个对实际情况的一阶近似，但在积累与耗尽，耗尽与反型的过渡区，不能用耗尽近似，需对电荷的分布进行精确的分析,图16.13 用耗尽近似理论得到的高-低频C-V特性 (X0=0.1m,ND=1015/cm3, T=300k),图16.14 掺杂浓度对MOS电容高频特性的影响,n型,P型,由精确电荷理论计算得到的C-V特性，其中 xo=0.1m,T=300k,随掺杂浓度的提高，高频反型电容增大，耗尽偏置区将大大展宽。因为掺杂浓度提高，半导体的F增加，要使s=

12、2F,需要更大的VT。 反型时电容随掺杂浓度增加而增大，因WT随ND的增加而减小。,图16.15 氧化层厚度对MOS电容高频特性的影响,n型,P型,由精确电荷理论计算得到的C-V特性，其中 NA（ND）=1015/cm-3,T=300k,氧化层厚度增加，高频反型电容增加，耗尽偏置区增加，因为氧化层厚度增加，在氧化层的电压降增加，要使半导体的s=2F,需要更大的VT,随温度升高，高频反型电容略有增加，耗尽偏置电容基本不随温度变化，VT也基本不随温度变化。,由精确电荷理论计算得到的C-V特性， ND=1014/cm-3, x0=0.1m,C=,原因,3实际测量结果,标准而且几乎是通用的测量频率为1

13、MHz。 一般测试得到的都是高频特性，即使测量频率为100Hz,甚至是10Hz，也会得到高频特性。 要得到MOS电容的低频特性，必须采用“准静态技术”。,不同扫描速率（R）下测量得到的C-V特性，在反型时，停止扫描使得器件平衡；或者缓慢地将器件从反型反扫到积累来准确记录高频反型电容。,深耗尽,MOS处于积累和耗尽偏置时，是多子在工作，响应速度快。 MOS处于反型偏置时，需大量少子来平衡栅电荷的变化。在栅电压进入反型偏置之前，MOS结构中没有少子，少子必须在半导体表面附近产生，这种产生过程是相当慢的，而且产生的少子不够平衡栅电荷，此时耗尽区宽度变得比WT大，来补偿缺少的少数载流子。,深耗尽：MOS处于反型偏置时，非平衡的半导体表面缺少少数载流子，耗尽区宽度大于平衡值WT，这种情况称为深耗尽。 完全深耗尽： M