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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,第十六章 MOS结构基础本章作业：16.1,16.4,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.,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,16.1理想MOS结构的定义,（1）金属栅足够厚,是等
2、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,16.1理想MOS结构的定义（1）金属栅足够厚,是等势体图,第十六章_MOS结构基础课件,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,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,
3、（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)将厚度为x0的绝缘体插入M与S之间的空隙。,（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；,（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
4、电荷的面积应相等,（2）电荷块图 平衡条件下在理想MOS结构中任何,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-EFS=-qVGVG0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。,2外加偏置的影响正常情况下，MOS电容背面接
5、地，VG定义为加,N型衬底,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。外加偏置的影响图16.5 理想n型MOS电容的不同静态,2。外加偏置的影响,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
6、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”。,特殊偏置区域n型半导体,第十六章_MOS结构基础课件,第十六章_MOS结构基础课件,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,图16.6 p型器件在平带、积累、耗尽、反,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,表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这种
7、情况称为“反型”。,特殊偏置区域p型半导体,VG,结 论 n型衬底VGACC(积累）DEPL（耗尽）IN,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,16.3 静电特性-定量公式图16.7 静电参数目标：确定,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,F的正负和大小与
8、Si衬底的导电类型和掺杂浓度有关p型,s,结 论 n型(F0)sACC(积累）DEPL（耗,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 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=0,16.3 静电特性-定量公式1半导体静电特性的定量描述,=（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,=（0）耗尽近似解半导体中积累以p型半导体,第十六章_MOS结构基础课件,MOS电容的半导体中电荷密度和电势的精确解,
9、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,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,耗尽层宽度和表面势的关系,最大耗尽层宽度,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VG=semi+oxsemi=(0)-(w)=s-0=sVG=s+ox 转化为确定ox与s的关系,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,目标：确定SiO2
10、中的电势差ox,理想SiO2中：=0,泊松方程：,x0为SiO2的厚度,目标：确定SiO2中的电势差ox理想SiO2中：=0,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,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,第十六章_MOS结构基础课件,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,图16.10栅电压与半结论：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
11、特性，把理想C-V特性曲线和实测C-V曲线比较，可以判断实际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,16.4 电容-电压特性MOS中无直流电流流过，所以MOS电,（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,（a)Keithley高、低频测量系统(b)n型MOS,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
12、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,积累；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）,耗尽：栅上有-Q电荷，半导体中有+Q的受主杂质ND,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,在耗尽区W随VG的增大而增大，所以C随VG的增大而
13、减小,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）,反型（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,高频：,积累,耗尽,）,反型（,其中,=,反型（,（,积累 耗尽）,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
14、.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),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,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=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16.14 掺杂浓度对MOS电容高频特性的影响n型P型由精,图16.15 氧化层厚度对MOS电容高频特性的影响,n型,
15、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,图16.15 氧化层厚度对MOS电容高频特性的影响n型P型由,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,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,3实际测量结果,标准而且几乎是通用的测量频率为1MHz。一般测试得到的
16、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。,3实际测量结果标准而且几乎是通用的测量频率为1MHz。不同扫,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
17、偿缺少的少数载流子。,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。,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：MOS处于反型偏置时，非平衡的半导体表面完全缺乏少数载流子的一种极端深耗尽情况，即完全深耗尽。,（a）深耗尽,（b）完全深耗尽,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,作业16.7,(a),(b),(c)半导体处于平衡态，因费米能级处于一条直线,作业16.7(a)(b)(c)半导体处于平衡态，因费米能级,（d),(e)n=ni 因为在界面处EF=Ei,（d)(e)n=ni 因为在界面处EF=Ei,（h),(j)耗尽状态,（h)(j)耗尽状态,第十六章_MOS结构基础课件,作业16.10,作业16.10,第十六章_MOS结构基础课件,讲作业16.14,讲作业16.14,作业16.14,作业16.14,作业16.14,作业16.14,第十六章_MOS结构基础课件,第十六章_MOS结构基础课件,课堂讲解16-12,本章作业16-1，4，8，9,13,15,课堂讲解16-12,
