12 双端MOS电容结构ppt课件.ppt

1、2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,半导体物理与器件,西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITY 张丽 11.金属氧化物半导体场效应晶体管基础 11.1双端MOS结构,1,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 本节内容,1.1.1 能带图 1.1.2 耗尽层厚度 1.1.3 功函数差 1.1.4 平带电压 1.1.5 阈值电压 1.1.6 电荷分布,2,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS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Si,n型Si或p型Si,SiO2,MO

2、S结构具有Q随V变化的电容效应，形成MOS电容,3,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 实际的铝线-氧化层-半导体,（M:约10000A O:250A S:约0.51mm）,4,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 理想MOS 电容结构特点,绝缘层是理想的，不存在任何电荷，绝对不导电； 半导体足够厚，不管加什么栅电压，在到达接触点之前总有一个零电场区（硅体区） 绝缘层与半导体界面处不存在界面陷阱电荷； 金属与半导体之间不存在功函数差。,5,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面能带

3、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,负栅压： 多子的积累， 体内多子顺电场方向被吸引到S表面， 能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯,6,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(1),零栅压情形,理想MOS电容： 绝缘层是理想的，不存在任何电荷； Si和SiO2界面处不存在界面陷阱电荷； 金半功函数差为0。,系统热平衡态，能带平，表面净电荷为0,7,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2),小的正栅压情形,(耗尽层),小的正栅压：多子耗尽

4、， 表面留下带负电的受主离子，不可动，且由半导体浓度的限制，形成负的空间电荷区。 能带变化： P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯，,注意：正栅压，增大的电场使更多的多子耗尽， xd，能带下弯增加,xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度。,8,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2),大的正栅压情形,(反型层+耗尽层),大的正栅压： 能带下弯程度，表面 EFi 到 EF下，表面具n型。 P衬表面Na-面电荷密度，同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面出现电子积累，反型层形成。,注意：栅压反型层电荷数增加，反型层电导受栅压调制。 阈值

5、反型后， xd最大值XdT不再扩展。,9,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(1),正栅压情形,零栅压情形,10,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS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,11,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.1 能带图 需掌握内容,N型和P型半导体表面状态随外加栅压的物理变化过程 会画相应各状态能带图,12,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.2 耗尽层厚度 本节内容,耗尽层厚度公式 耗尽层厚度在不同半

6、导体表面状态的特点和原因 半导体表面状态和表面势的关系 阈值反型点和阈值电压 空间电荷层电荷与表面势的关系,13,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS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,耗尽层形成：正栅压，P衬表面多子空穴耗尽，留下固定不动的Na-，由半导体浓度的限制，分布在S表面一定厚度内，负的空间电荷区,14,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面反型情

7、形,阈值反型点： 表面势= 2倍费米势，表面处电子浓度=体内空穴浓度 阈值电压： 使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压,表面空间电荷区厚度,P型衬底,15,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系,16,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系,本征,堆积,平带,耗尽,本征,弱反型,强反型,17,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 空间电荷区厚度:n型衬底情形,表面空间电荷区厚度,表面势,半导体衬底施主掺杂浓度,n型衬底,阈值

8、反型点： 表面势= 2倍费米势，表面处空穴浓度=体内电子浓度 阈值电压： 使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压,18,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS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,19,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.2 耗尽层厚度 需掌握内容,耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因 耗尽层厚度公式 半导体表面状态和表面势的关系 阈值反型点的定义 常用器件掺杂范围,20,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.3 功函数差 本节内容,功函数和功函数差定义 功函数差对半导体表面

9、的影响 N+ POLY或 P+POLY与硅的功函数差 常用结构的功函数概况,21,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS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,功函数：起始能量等于EF的电子，由材料内部逸出体外到真 空所需最小能量。,22,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:MOS结构的能带图,修正的金属功函数,修正的硅的电子亲和能,二氧化硅的电子亲和能,23,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容

10、 功函数差:MOS结构的能带图,条件：零栅压， 热平衡,接触之后能带图的变化： 1）MOS成为统一系统， 0栅压下热平衡状态有统一的EF。 2）SiO2的能带倾斜： 3）半导体一侧能带弯曲： 原因：金属半导体ms不为0,零栅压下氧化物二侧的电势差,零栅压下半导体的表面势,24,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:计算公式,功函数差使二者能带发生弯曲，弯曲量之和是金属半导体的功函数差。,25,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,P-Si,1.1 MOS电容 功函数差:n掺杂多晶硅栅,近似相等,n+掺杂至简并,0,简并：degene

11、rate 退化，衰退,26,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:p掺杂多晶硅栅,p+掺杂至简并,0,27,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:n型衬底情形,负栅压的大小,p型衬底公式,28,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 功函数差:与掺杂浓度的关系,29,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.3 功函数差 需掌握内容,功函数和功函数差定义 功函数差与谁有关? MOS系统接触前的能带图 MOS系统接触后的能带图变化和原因 不用金属,而用

12、N+ POLY或 P+POLY功函数差如何算? 常用结构的功函数概况,30,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.4 平带电压 本节内容,平带电压定义 半导体表面能带弯曲可能原因和物理过程 平带电压推导 平带电压影响因素,31,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 平带电压:能带弯曲的动因,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 氧化层中存在正的空间电荷 可动电荷：工艺引入的金属离子 陷阱电荷：辐照 SiSio2界面存在的正的固定电荷：,32,2020/8/1,XIDIAN

13、 UNIVERSITY,1.1 MOS电容 平带电压:固定电荷成因,SiSiO2界面存在的正的固定电荷（面电荷密度Qss）,1、固定电荷面密度大小与掺杂类型和浓度基本无关，而与硅晶面 111，110，100共价键密度大小顺序相同。 2、通常为氧化条件的函数，可通过在氩气和氮气中对氧化物退火 来改变这种电荷密度。 3、氧化层中固定电荷在位置上表现的很靠近氧化物半导体界面。,形成原因：推测和SiSiO2界面的形成有关，界面存在过剩硅离子。,33,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 平带电压:定义,平带电压VFB 定义：使半导体表面能带无弯曲需 施加的栅电压 来

14、源：金属与半导体之间的功函数差， 氧化层中的正的固定电荷,34,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 平带电压:公式,Vox0+s0=- ms,35,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.4 平带电压 需掌握内容,平带电压定义 半导体表面能带弯曲可能原因和物理过程 如果没有功函数差及氧化层电荷,平带电压为多少? 平带电压推导过程和公式,36,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1.5 阈值电压 本节内容,阈值电压定义 阈值电压推导 阈值电压影响因素和物理过程 阈值电压和器件类型的关系,37,XIDIAN UNIV

15、ERSITY,1.1 MOS电容 阈值电压:定义,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,阈值电压： 达到阈值反型点时所需的栅压，VT：VTN,VTP。,表面势=费米势的2倍,/VG/=/VT/：s2f，衬底表面强反型，沟道形成，器件导通,38,XIDIAN UNIVERSITY,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 阈值电压:公式推导,功函数差Vox0+s0=- ms,|QSDmax|=e NaXdT,39,XIDIAN UNIVERSITY,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 阈值电压影响因素:栅电容,

16、COX影响：COX越大，则VTN的绝对值越小； 物理过程：COX越大，同样VG在半导体表面感应出的 电荷越多，达到反型所需VG越小，易反型。,COX提高途径：增加介电常数， 减小Tox 选择介电常数大的介质; 栅氧化层保证质量前提下尽量薄。,40,XIDIAN UNIVERSITY,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系,|QSDmax|=e NaXdT,Na影响：Na越小，则VTN的值越小； 物理过程：Na越小，达到反型所需耗尽的多子QSDmax越 少，易反型。,注意：影响VT的是氧化层下方的半导体的浓度，通过离子注入改变

17、半导体表面的掺杂浓度，可调整VT。,41,XIDIAN UNIVERSITY,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系,QSS影响：QSS越大，则VTN的值越小； 物理过程：QSS越大，其在半导体表面感应出的负电荷越 多，达到反型所需VG越小，易反型。,42,XIDIAN UNIVERSITY,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 阈值电压:导通类型,n沟道MOSFET,VTN0， MOSFET为增强型：零栅压时未反型，加比VTN更大的VG时才反型,VTN0 MOSFET为耗尽型：零栅压时已反型，加比VTN小的VG，才能脱离反型,P型衬底MOS结构,（1）改变Na可改变VTN的正负，即可改变器件MOSFET类型 （2）QSS对VT影响的大小与衬底掺杂浓度有关 ，Na越大， QSS的影响越小。,43,2020/8/1,XIDIAN UNIVERSITY,1.1 MOS电容 阈值电压:n型衬底情形,44,2020/8/1,XIDIAN UNIVER