半导体器件物理章mos原理

《半导体器件物理章mos原理》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、半导体器件物理7章MOS原理第7章MOSFET原理7.1金属、半导体的功函数在绝对零度时，金属中的电子填满了费米能级EFF以下的所有能级，而高于费米能级E的所有能级全部是空的。温度升高时，只有费米能级E附近的少数电F子受到热激发，由低于E的能级跃迁到高于E的能级FF上，但大部分电子仍不能脱离金属而逃逸出体外。这意味着金属中的电子虽然能够在金属中自由运动，但绝大多数电子所处的能级都低于体外（真空）的能级。要使金属中的电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的能量。从量子力学的观点看，金属中的电子是在

2、一个势阱运动。用E表示真空中静止电子的能量。0如图7.1所示。定义某种材料的功函数为：真空电子能量E与材料的0费米能级E的差值。F1则金属的功函数为Wm?E0?EFm?E0?EFs?7.1??7.2?F半导体的功函数为Ws功函数的物理意义：表示电子从起始能量等于E由金属内逸出（跳到真空）需要的最小能量。注意：半导体的费米能级随掺杂浓度改变，因而其功函数也随掺杂浓度变化。图7.1还显示了从Ec?E0的能量间隔?，?称谓电子亲和能，表示使处于半导体导带底的电子逃逸出体外（跳到真空能级）需要的最小能量

3、。即??E0?Ec?7.3?利用电子的亲和能，半导体的功函数又可以表示为WS????Ec?EFS????e?n?7.4??Ec?EFS??e?n(N?semiconductor)表7.1列出了硅在不同掺杂浓度下对应的功函数表7.1硅的功函数与掺杂浓度的关系（计算值）半导体材料功函数WSeVp?typeNacm?310144.8710154.9310164.99n?typeNdcm?31014Si4.3710154.3110164.257.2金属－氧化物－半导体场效应晶体管(MOSFET)引言：M

4、OS器件的发明先于双极器件，但由于加工工艺条件的限制，双极器件的商品化要早于MOS器件。2随着半导体集成电路工艺的改善，MOS集成电路才有了突非猛进的发展。CMOS技术在历史上一度很盛行，大约在15年前，有一种观点认为CMOS电路会取代双极电路，现在，这一观点已变成了失败的预言。MOS集成电路是由单个的MOS器件组成的各种功能单元组成的。MOS器件的核心是一个称为MOS电容的金属－氧化物－半导体结构。理解MOS器件的工作原理，最简单的方法应该从MOS电容的结构出发，在电容的金属极板上相对于另一极

5、板半导体衬底施加不同的电压，观察电容的介质即氧化物与半导体界面附近载流子浓度随施加电压的变化情况。双端MOS电容结构MOS电容的上极板是金属或电导率很高的多晶硅，下极板是半导体材料，中间介质层是氧化物，通常是SiO。27.3MOS电容的定性分析MOS结构的物理特性可以比较容易地借助简单的3平板电容器加以解释。图7.3a是一平板电容器，它的上极板接相对于下极板的负电压。两极板之间有一层SiO2绝缘层，由于有了偏压，上极板出现了负电荷，下极板感应了数量相等的正电荷（绝缘层就像一面镜子一样，上极板负电

6、荷镜像到下极板中，但电荷变成了正电荷，且数量相等），从而在极板间产生了电场。如图7.3所示。单位面积氧化层电容为：Cox??oxtox......(7.5)上式中的?oxtox?3.9?8.854?10?14(f/cm)是SiO2介质的介电常数，2是电容两极板间的距离或SiO介质的厚度。每一极板上单位面积的电荷为：Q?CoxV??oxtoxV??oxEox......(7.6)V是电容极板间的压差、电容极板间电场的大小为：Eox?V/tox......(7.7)图7.3a所示为P型衬底的MOS电

7、容，相对于P型衬底，在金属电极的上极板施加负电压，负电荷将出现在上4极板上，下极板中P型衬底体内的空穴被电场力推向了界面（SiO－半导体的交界面）靠近半导体的表面处。2平衡后，上极板的负电荷数与下极板靠近界面处的正电荷数相等。我们说P型半导体的表面处形成了多子（空穴）堆积层。图7.3b所示是同衬底类型的电容器，在两极板间施加了相反的电压，即相对于P型衬底，在金属电极的上极板施加正电压。在此情况下，半导体表面处的电荷分布随外加电压从小到大变化会经历两个状态：当外加正电压较小时，虽然金属电极的上极板

8、存在正电荷，但由于电压较小，穿过氧化层的电场迫使P型衬底的上表面中的空穴离开表面进入体内，在表面处有限的空间内留下带负电的固定不动的受主杂质离子。此时，表面形成了空间电荷区，该状态称为表面耗尽状态。上极板和下极板的电荷数量仍然相等，但符号相反。随着外加电压的增大，上极板的正电荷数量增多，耗尽层宽度变宽，以增加负电荷的数量；耗尽层宽度的增加又会使耗尽层的压降增大。耗尽层的存在必然有耗尽层电容，此时MOS电容和耗尽层电容是串连的。如果假设加在电容两极板上的电压为V，加在MOS电G容上的电压是V，加在