11MOSFET基础1MOS结构,CV特性.ppt

第十一章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础1n11.1　双端ＭＯＳ结构n11.2　电容－电压特性n11.3　ＭＯＳＦＥＴ基本工作原理n11.4　频率限制特性n11.5　ＣＭＯＳ技术n11.6　小结11.1 双端MOS结构n11.1.1 能带图n11.1.2 耗尽层厚度n11.1.3 功函数差n11.1.4 平带电压n11.1.5 阈值电压n11.1.6 电荷分布311.1 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Sin型Si或p型SiSiO24实际的铝线-氧化层-半导体（M:约10000A O:250A S:约0.5~1mm）511.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(1)负栅压情形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611.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2)小的正栅压情形小的正栅压情形大的正栅压情形大的正栅压情形(耗尽层)(反型层+耗尽层)711.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形正栅压情形811.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(2)小的负栅压情形小的负栅压情形大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9小节内容n11.1.1 能带图n随便画能带图,要知道其半导体类型n加什么电压往那里弯曲1011.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面耗尽情形费米势费米势表面势表面势表面空间电表面空间电荷区厚度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型衬底型衬底1111.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面反型情形阈值反型点阈值反型点条件：表面处的电子浓度条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度体内的空穴浓度表面空间电荷表面空间电荷区厚度区厚度P型衬底型衬底表面电子浓度：表面电子浓度：体内空穴浓度：体内空穴浓度：栅电压栅电压=阈值电压阈值电压表面空间电荷区表面空间电荷区厚度达到最大值厚度达到最大值1211.1 MOS电容 空间电荷区厚度:n型衬底情形阈值反型点阈值反型点条件：条件：表面势表面势=费米势的费米势的2倍，表面处的空穴浓度倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，栅电压体内的电子浓度，栅电压=阈值电压阈值电压表面空间电荷表面空间电荷区厚度区厚度表面势表面势n型衬底型衬底1311.1 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14小节内容n11.1.2 耗尽层厚度n耗尽情况n反型情况n会算其厚度n了解阈值反型点条件n常用器件掺杂范围1511.1 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绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，1611.1 MOS电容 功函数差:MOS结构的能带图条件：零栅压，条件：零栅压， 热平衡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1711.1 MOS电容 功函数差:计算公式内建电势差：功函数差1811.1 MOS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：简并：degenerate 退化，衰退退化，衰退1911.1 MOS电容 功函数差:p＋掺杂多晶硅栅(P-Si)p+掺杂至简并≥02011.1 MOS电容 功函数差:n型衬底情形负栅压的大小负栅压的大小2111.1 MOS电容 功函数差:与掺杂浓度的关系2211.1 MOS电容 平带电压:定义nMOS结构中半导体表面能带弯曲的动因结构中半导体表面能带弯曲的动因n金属与半导体之间加有电压（栅压）n半导体与金属之间存在功函数差n氧化层中存在净的空间电荷n平带电压平带电压n定义：使半导体表面能带无弯曲需施加的栅电压n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2311.1 MOS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24小节内容n11.1.4 平带电压n来源n定义n如果没有功函数差及氧化层电荷,平带电压为多少?n如何算2511.1 MOS电容阈值电压:公式阈值电压：阈值电压： 达到达到阈值反型点阈值反型点时所需的栅压时所需的栅压表面势表面势=费米势的费米势的2倍倍|QSDmax|=e Na xdTQSDns忽略反型层电荷2611.1 MOS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2711.1 MOS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2811.1 MOS电容 阈值电压:n型衬底情形29费米势费米势表面耗尽层最大厚度表面耗尽层最大厚度单位面积表面耗尽层电荷单位面积表面耗尽层电荷单位面积栅氧化层电容单位面积栅氧化层电容平带电压平带电压阈值电压阈值电压11.1 MOS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阈值电压典型值金属金属-半导体功函数差半导体功函数差3011.1 MOS电容 表面反型层电子密度与表面势的关系3111.1 MOS电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系堆积堆积平带平带耗尽耗尽弱反型弱反型强反型强反型32小节内容n11.1.6 电荷分布n分布图n11.1.5 阈值电压n概念n电中性条件n与谁有关?如何理解?nN型 P型及掺杂的关系3311.2节内容n理想情况CV特性n频率特性n氧化层电荷及界面态的影响n实例3411.2 C-V特性什么是C-V特性？平带平带电容-电压特性3511.2 C-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平带本征本征3611.2 C-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平带本征本征3711.2 C-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平带本征本征C’相当与Cox与Csd’串联3811.2 C-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平带本征本征3911.2 C-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4011.2 C-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41小节内容n理想情况CV特性nCV特性概念n堆积平带耗尽反型下的概念n堆积平带耗尽反型下的计算n频率特性n高低频情况图形及解释4211.2 C-V特性 氧化层电荷的影响例图例图:如果如果Qss均为正电荷均为正电荷,需需要额外牺牲负电荷来中和界要额外牺牲负电荷来中和界面的正电面的正电,所以平带电压更负所以平带电压更负- - - - - ++ 4311.2 C-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）（界面陷阱）受主态容易接受电子带负电受主态容易接受电子带负电正常情况热平衡不带电正常情况热平衡不带电施主态容易放出电子带正电施主态容易放出电子带正电图图11.32 氧化层界面处界面态示意图氧化层界面处界面态示意图44界面态：半导体界面处允许的能态界面态：半导体界面处允许的能态11.2 C-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，平带电压更负例图例图:需要额外牺牲三个负电荷来中和需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电界面态的正电,所以平带电压更负所以平带电压更负- - - - - -+++ 施主态容易放出电子带正电施主态容易放出电子带正电45禁带中央：界面陷阱不带电，对C-V曲线无影响11.2 C-V特性 界面陷阱的影响:本征状态46反型状态：界面陷阱带负电，C-V曲线右移，阈值电压更正。

11.2 C-V特性 界面陷阱的影响:反型状态例图例图:需要额外牺牲三个需要额外牺牲三个正电荷来中和界面态的负正电荷来中和界面态的负电电,所以阈值电压升高所以阈值电压升高_ _ _ ++++++受主态容易接受电子带负电受主态容易接受电子带负电4748小节内容n氧化层电荷及界面态对C-V曲线的影响n氧化层电荷影响及曲线n界面态概念n界面态影响概念曲线n实例n如何测C-V曲线n如何看图解释出现的现象49。