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1、,理想MOS电容器,Prof.Gaobin XuMicro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province of Hefei University of Technology Hefei,Anhui 230009,ChinaTel.:E-mail:,Chap.6 MOSFET Lecture 24：6.2,Outline,1.积累区（VG0）4.反型区（VG0）,对于一个理想的MOS系统，当外加偏压VG变化时，金属极板上的电荷QM和半导体表面空间电荷QS都要相应发生
2、变化。说明，MOS系统有一定的电容效应，所以把它叫做MOS电容器；但一般说来：QM并不正比于外加偏压VG，需要讨论微分电容。,引言：,令C为MOS系统单位面积的微分电容，则：,微分电容C的数值随外加偏压VG变化，这个变化规律称为MOS系统的电容-电压特性,令:,C0：绝缘层单位面积上的电容CS：半导体表面空间电荷区单位面积的电容,两个电容串联后，总电容变小，且其数值主要由较小的一个电容所决定，因为大部分电压都降落在较小的电容上。,C/C0称为系统的归一化电容,即有：,对于理想MOS系统，由高斯定律：,C0是一个不随外加电压变化的常数,由于半导体的表面电容CS是表面势 的函数，因而也是外加偏压的
3、函数。显然，如果求出CS随VG变化的规律，就可以得到MOS系统的总电容C随外加偏压变化的规律。,1.积累区（VG0）,当MOS电容器的金属电极上加有较大的负偏压时，能带明显向上弯曲，在表面造成多数载流子空穴的大量积累；只要表面势 稍有变化，就会引起表面空间电荷QS的很大变化；所以，半导体表面电容比较大，可以忽略不计。MOS系统的电容基本上等于绝缘体电容C0。当负偏压的数值逐渐减小时，空间电荷区积累的空穴数随之减少，且QS随 的变化逐渐减慢，CS变小，它的作用就不能忽略；将使总电容减小，所以负偏压的数值愈小，Cs愈小，MOS电容器的总电容C就愈小。,（VG 0）,2.平带情况（VG=0）,在平带
4、附近，空间电荷区中：,由空穴的过剩或欠缺引起的电荷密度：,在平带附近，。上式进行指数项展开，且只保留前两项,VG=0时，=0，能带是平直的，称为平带情况,（VG 0）,则，空间电荷区内的泊松方程为：,式中：,德拜屏蔽长度,其通解为：,德拜屏蔽长度LD标志着为了屏蔽外电场而形成的空间电荷区的厚度。,电荷密度：,半导体表面单位面积内的总电荷为：,空间电荷与表面势符号相反,平带情况下半导体表面的小信号电容(微分电容)：,在杂质饱和电离的情况下：,归一化平带电容：,3.耗尽区（VG0）,随着外加偏压VG的增加，xd将增大，从而电容CS将减小。由CS和C0串联的，MOS电容C也将随着外加偏压VG的增加减
5、小,可得：,在耗尽区，由：,对于氧化层有：,耗尽区归一化电容随外加偏压的增加而减小,耗尽区归一化电容为：,耗尽区的C-V特性,出现反型层以后的电容C与测量频率有很大关系，所谓电容C与测量频率有关，就是与交变信号电压的频率有关。,4.反型区（VG0）,在测量电容C时，在MOS系统上施加有直流偏压VG，然后在VG之上再加小信号的交变电压，使电荷QM变化，从而测量电容C。在不同的直流偏压下测量C，便得到C-V关系。,测量方法：,在积累区和耗尽区，当表面势变化时，空间电荷的变化是通过多子空穴的流动实现的，从而引起电容效应。在这种情况下，电荷变化的一般能跟得上交变电压的变化。电容与频率无关。,在出现反型
6、层以后，特别是在接近强反型时，表面电荷由两部分组成：一部分是反型层中的电子电荷QI，它是由少子的增加引起的；另一部分是耗尽层下的电离受主电荷QB，它是由多子空穴的丧失引起的：,表面电容CS为：,如果测量电容的信号频率较高，耗尽层中电子-空穴对的产生和复合过程跟不上信号的变化，反型层中的电子电荷QI也就来不及改变。则有：,则高频情况下，反型层中的电容为：,随着直流偏压VG的增加，xd增大，电容C按耗尽层的电容变化规律而减小。当表面形成强反型层时，强反型层中的电子电荷随直流偏压的增加而增加，对直流偏置电场起屏蔽作用。于是，耗尽层宽度不再变化，达到极大值xdm，此时，MOS系统的电容C就达到最小值C
7、min。且不再随VG的增加而变化，如图中虚线所示。,电容C按耗尽层的电容变化规律,正比氧化层厚度,正比掺杂浓度,表面电容由反型层中电子电荷的变比所决定：,（2）在接近强反型区，如果测量电容的信号频率比较低，耗尽层中电子-空穴对的产生与复合过程能跟得上信号的变化，这时，反型层中的电子电荷的变化，屏蔽了信号电场，对表面电容的贡献是主要的，而耗尽层的宽度和电荷QB基本上不变：,在实验中通常利用约10Hz的频率可以测得低频曲线，用于104105Hz的频率可测得高频曲线。,反型层低频C-V特性,形成强反型层以后，QI随 变化很快，CS数值很大，此时MOS系统的电容C接近C0，即有：,MOS电容由高频向低频值过渡取决于耗尽层中少子的产生率和复合率，以及有无提供少子的外界因素等,反型层高频C-V特性,MOSFET-常见结构,
