MOSFET基础(MOS结构CV特性)

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十一章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,1,11.1,双端结构,11.2,电容电压特性,11.3,基本工作原理,11.4,频率限制特性,11.5,技术,11.6,小结,11.1,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,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,Si,n,型,Si,或,p,型,Si,SiO,2,4,实际的铝线,-,氧化层,-,半导体（,M:,约,10000A O:250A S:,约,0.51mm,）,5,11.1 MOS,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,6,11.1 MOS,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,),7,11.1 MOS,电容,表面能带图,:n,型衬底,(1),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,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,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,10,11.1 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,11,11.1 MOS,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,12,11.1 MOS,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,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,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,15,11.1 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，,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,MOSFET,为增强型,V,G,=0,时未反型，加有正栅压时才反型,V,TN,0,MOSFET,为耗尽型,V,G,=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,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,11.1 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,金属,-,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,平带,耗尽,弱反型,强反型,32,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,33,11.2,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,34,11.2 C-V,特性,什么是,C-V,特性？,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,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,V,FB,，使半导体表面能带无弯曲,平带,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,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,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,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,42,11.2 C-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,-,+,43,11.2 C-V,特性,界面陷阱的分类,被电子占据（在,E,FS,之下）带负电，不被电子占据（在,E,FS,之上）为中性,被电子占据（在,E,FS,之下）为中性，不被电子占据（在,E,FS,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,44,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,:,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,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,:,需要额外牺牲三个正电荷来中和界面态的负电,所以阈值电压升高,_ _ _,+,受主态容易接受电子带负电,47,48,小节内容,氧化层电荷及界面态对,C-V,曲线的影响,氧化层电荷影响及曲线,界面态概念,界面态影响概念曲线,实例,如何测,C-V,曲线,如何看图解释出现的现象,49,