ch05-MOS电容.ppt

MOS,结构,第一节 半导体表面空间电荷区及反型层,第二节,MOS,结构的电容电压特性,第三节 非理想,MOS,结构,1,、两端,MOS,基本结构,M,etal-,O,xide-,S,emiconductor,两端,MOS,结构的透视图,欧姆接触,第一节 半导体表面空间电荷区及反型层,理想,MOS,电容：,金属与半导体间功函数差为零,在氧化层内没有任何电荷,氧化层完全不导电,氧化层与半导体界面处不存在任何界面态,通过外加偏压，借助于,MOS,结构可以在半导体表面产生空间电荷区。,P-,Si,两端,MOS,结构，当在金属与半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上会产生,数值相等、符号相反的感生电荷,。但是，与普通平板电容不同的是，在,MOS,结构中，电荷在两个极板上的分布不同。,在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度内。,MOS,结构的电容描述,在半导体内，电荷则要扩展到相当厚度的一层。,金属表面单位面积电荷,空间电荷区单位面积电荷，由电子、空穴和电离杂质构成。半导体表面的性质取决于其中哪一个起主导作用。,表面空间电荷区的宽度,空间电荷区两端的电势差称为表面势,能带向上弯曲,能带向下弯曲,空间电荷区描述：能带图,积累层、耗尽层和反型层,多子积累,表面耗尽,表面反型,当,MOS,加上偏压时，半导体表面分为有三种情况：,理想,MOS,结构在外加偏压为零时的能带图,平带,多子积累,（,Accumulation,）,金属电极上加负的偏压，将在半导体表面感生正电荷。在,P,型半导体中，感生的正电荷就是被吸引到表面的空穴，这种堆积在表面的空穴成为积累层。积累层十分集中在表面，通常可以忽略其厚度。,hole,表面耗尽,（,Depletion,）,金属电极上加正的偏压，将在半导体表面感生负电荷。在电压较小时，主要是多子空穴被赶走（多子耗尽），留下带负电荷的电离受主离子。这时虽然有少子电子被吸引到表面，但是数目很少，没有什么影响。在这一阶段，电压的增加只是使更多的空穴被排走，负的电荷区加宽。,电离受主,表面反型（,Inversion,）,电子,随着电压的加大，负的空间电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面的电子也随着增加。当栅压到达某一阈值时，被吸引到表面的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，成为反型层。,表面强反型（,Inversion,）,电子,强反型后，栅压再增加，主要是反型层的电子增加，耗尽层电荷基本不再增加，耗尽层宽度达到最大值。,沟道,表面强反型,强反型,弱反型,表面本征,表面耗尽,平带,反型层,沟道,中性区,氧化硅,耗尽区,耗尽层,表面电子浓度,表面空穴浓度,强反型和阈值电压,MOS,结构的核心问题：在外电场作用下，半导体表面产生的耗尽区和反型层。使半导体表面开始强反型时所需的栅压称为阈值电压，用,V,T,表示。,当栅压,V,G,=0,时，半导体没用能带弯曲，称为平带，可以标记为积累和耗尽的分界线；,V,G,=V,T,可以简单的做为耗尽和强反型的过渡点。,强反型后，表面势基本不再变化，表面耗尽区达到最大值，只是反型层载流子电荷随栅压增加。,Hole,Accumulation,P-,Si,Metal,耗尽层,P-,Si,反型层,耗尽层,P-,Si,P-,Si,SiO,2,半导体表面,衬底,氧化硅,一维泊松方程：,空间电荷区的电场、表面电荷,P-,Si,SiO,2,1,、严格求解,边界条件：,Hole,contribution,Dopant ion contribution,Electron,contribution,半导体内部,对于,P,型半导体,积累区,耗尽区,反型区,2,耗尽层近似,空间电荷区的电场：,空间电荷区的电位：,表面势：,耗尽区宽度：,氧化层,半导体,空间电荷区单位面积电荷：,通常认为在表面势 时，耗尽层假设成立,3,阈值电压,在理想,MOS,结构中，栅电压一部分降落在氧化层上，另一部分降在半导体上：,开始强反型时：,强反型后：,f,s,2,f,B,V,fb,V,g,accumulation,depletion,inversion,W,dep,W,dmax,accumulation,depletion,inversion,(,f,s,),1/2,x,dmax,=(2,e,s,2,f,B,/,q,N,a,),1/2,V,g,V,fb,0,V,g,accumulation,depletion,inversion,Q,inv,accumulation,depletion,inversion,(a),(b),accumulation,depletion,inversion,(c),Q,s,0,accumulation,regime,depletion,regime,inversion,regime,total substrate charge,Q,s,Q,acc,V,g,V,g,Q,dep,=-,qN,a,x,dep,V,fb,slope=,-,C,ox,slope=,-,C,ox,V,fb,V,fb,qN,a,x,dep,qN,a,x,dmax,V,g,Q,inv,slope=,-,C,ox,V,fb,MOS,结构基础,第一节 半导体表面空间电荷区及反型层,第二节,MOS,结构的电容电压特性,第三节 非理想,MOS,结构,MOS,电容的定义,积累,平带,耗尽,反型,MOS,结构的,C-V,曲线,（,P,型衬底）,反型层充放电时间,频率特性：高频和低频,C-V,曲线,反型层随交流信号变化,耗尽层随交流信号变化,深耗尽：,栅极电压迅速变化，反型载流子的产生跟不上栅压的变化,。,低频,高频,深耗尽,MOS,结构基础,第一节 半导体表面空间电荷区及反型层,第二节,MOS,结构的电容电压特性,第三节 非理想,MOS,结构,理想的,MOS,电容假设半导体表面的电场完全由外加栅压产生，实际的,MOS,结构并不是这样的，因为,：,金属和半导体的功函数不同,氧化层中存在各种电荷,在半导体和氧化层交界面存在界面态,所有这些因素都将在半导体表面引起相应的电场，并影响,MOS,电容的,C-V,特性。,金属半导体功函数差,接触电势差：,由于功函数差，当栅压,V,G,=,0,时，半导体表面已经存在空间电荷区，并使能带弯曲。在,MOS,电容的栅上加适当的电压就可以使表面空间电荷区消除，能带恢复平直，这个电压称为平带电压，用,V,FB,表示，显然有：,由于存在接触电位差，实际上加在,MOS,电容上的偏压,V,G,可以看做是由（,V,G,V,FB,）和,V,FB,两部分组成的，前者相当于理想,C,V,中的,V,G,，后者抵消接触电位差。,在理想,MOS,中，,V,G,=0,时的电容为平带电容，实际的,MOS,中，当,V,G,V,FB,0,，电容为平带电容,C,FB,。即当电压,V,G,V,FB,时，电容才是,C,FB,。这表明，功函数差使理想,C,V,曲线，沿水平方向平移,V,FB,。,理想,C,V,对,C-V,特性的影响,界面陷阱和氧化物电荷,热氧化形成的,Si-SiO,2,系统中的各类电荷及分布,金属,Na,+,K,+,可移动离子电荷,氧化物,陷阱电荷,固定电荷,Na,+,界面陷阱电荷,Na,+,界面陷阱电荷,Q,it,位于,Si-SiO2,界面，其能级位于禁带内。界面态密度（单位面积界面陷阱数）和晶面取向有关。硅（,100,）面,Q,it,小于,10,10,cm,-2,氧化物可移动离子电荷,Q,M,诸如钠离子其它碱金属离子，带正电荷，来源于工艺过程沾污。能够在氧化层中移动，引起,C,V,曲线沿电压轴向负向移动。,氧化物固定电荷,Q,F,位于,Si-SiO2,界面约,30,埃的范围内，通常带正电荷，和氧化条件及,Si,的晶向有关，（,100,）面固定电荷密度的典型值为,10,10,cm,-2,。,氧化物陷阱电荷,Q,ot,和二氧化硅中的缺陷有关。例如，在受到高能电子轰击或,X,射线辐照时，就可能产生这类电荷。这些缺陷分布在二氧化硅层内。,氧化物电荷对平带电压影响,假定氧化层内单位面积一个正的薄层电荷,Q,0,。这个正电荷将感生出负电荷，其一部分在金属内，一部分在半导体内。,为了实现平带（即在半导体内没有感生电荷，假定不存在功函数差），必需在金属上加负的电压，以在金属表面形成负电荷,-,Q,0,，把电力线全部吸引到金属而不进入半导体。相应的平带电压：,界面陷阱电荷对平带电压影响,MOS,电容中界面陷阱电荷的一般表现为引起,C-V,特性曲线的扭曲和扩展。原因：界面陷阱能级一般分布在整个禁带范围，其电荷是可变的（随表面势变化）,界面陷阱,施主态,受主态,非理想,MOS,总结,功函数、氧化物电荷和界面陷阱电荷综合影响可以描述为：,V,ms,、,Q,F,、,Q,M,会导致,C-V,特性曲线相对理想理论曲线沿电压轴负向移动，,Q,it,会使特性曲线发生扭曲或扩展。,考虑到平带电压，,MOS,电容的阈值电压表示为：,