MOSFET基础(MOS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 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 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Si n型Si或p型Si SiO2 4 实际的铝线 氧化层 半导体 M 约10000AO 250AS 约0 5 1mm 5 11 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 6 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 7 11 1MOS电容表面能带图 n型衬底 1 正栅压情形 8 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 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 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 11 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 12 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 13 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 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 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 16 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 17 11 1MOS电容功函数差 计算公式 内建电势差 18 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 19 11 1MOS电容功函数差 p 掺杂多晶硅栅 P Si p 掺杂至简并 0 20 11 1MOS电容功函数差 n型衬底情形 负栅压的大小 21 11 1MOS电容功函数差 与掺杂浓度的关系 22 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 23 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 24 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 11 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 eNaxdT 忽略反型层电荷 26 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 27 11 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 28 11 1MOS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 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 11 1MOS电容表面反型层电子密度与表面势的关系 31 11 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 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 2C V特性什么是C V特性 平带 电容 电压特性 35 11 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 36 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 37 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 C 相当与Cox与Csd 串联 38 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 39 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 40 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 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 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 43 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 44 界面态 半导体界面处允许的能态 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 45 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 反型状态 界面陷阱带负电 C V曲线右移 阈值电压更正 11 2C 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