12 双端MOS电容结构.ppt

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1、2021/8/12XIDIANUNIVERSITY半导体物理与器件西安电子科技大学XIDIDIANUNIVERSITY张丽11.金属氧化物半导体场效应晶体管基础11.1双端MOS结构2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容本节内容1.1.1能带图1.1.2耗尽层厚度1.1.3功函数差1.1.4平带电压1.1.5阈值电压1.1.6电荷分布2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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Sin型Si或p型SiSiO2MOS结构具有Q随V变化的电容效应，形成MO

2、S电容2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容实际的铝线-氧化层-半导体（M:约10000AO:250AS:约0.5~1mm）2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容理想MOS电容结构特点绝缘层是理想的，不存在任何电荷，绝对不导电；半导体足够厚，不管加什么栅电压，在到达接触点之前总有一个零电场区（硅体区）绝缘层与半导体界面处不存在界面陷阱电荷；金属与半导体之间不存在功函数差。2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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

3、级价带顶能级负栅压：多子的积累，体内多子顺电场方向被吸引到S表面，能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容表面能带图:p型衬底(1)零栅压情形理想MOS电容：绝缘层是理想的，不存在任何电荷；Si和SiO2界面处不存在界面陷阱电荷；金半功函数差为0。系统热平衡态，能带平，表面净电荷为02021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容表面能带图:p型衬底(2)小的正栅压情形(耗尽层)小的正栅压：多子耗尽，表面留下带负电的受主离子，不可动，且由半导体浓度的限制，形成负的空间电荷区。能

4、带变化：P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯，注意：正栅压↑，增大的电场使更多的多子耗尽，xd↑，能带下弯增加xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度。2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容表面能带图:p型衬底(2)大的正栅压情形(反型层+耗尽层)大的正栅压：能带下弯程度↑，表面EFi到EF下，表面具n型。P衬表面Na-面电荷密度↑，同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面出现电子积累，反型层形成。注意：栅压↑反型层电荷数增加，反型层电导受栅压调制。阈值反型后，xd↑最大值XdT不再扩展。2021/8/12XIDIANUNIVE

5、RSITY1.1MOS电容表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形零栅压情形2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1.1能带图需掌握内容N型和P型半导体表面状态随外加栅压的物理变化过程会画相应各状态能带图2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1.2耗尽层厚度本节内容耗尽层厚度公式耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因半导体表面状态和表面势的关系阈值反型点和阈值电压空间电

6、荷层电荷与表面势的关系2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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型衬底耗尽层形成：正栅压，P衬表面多子空穴耗尽，留下固定不动的Na-，由半导体浓度的限制，分布在S表面一定厚度内，负的空间电荷区2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容空间电荷区厚度:表面反型情形阈值反型点：表面势=2倍费米势，表面处电子浓度=体内空穴浓度阈值电压：使半导体表面达到阈值

7、反型点时的栅电压表面空间电荷区厚度P型衬底2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容表面反型层电子浓度与表面势的关系2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容表面空间电荷层电荷与表面势的关系本征堆积平带耗尽本征弱反型强反型2021/8/12XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容空间电荷区厚度:n型衬底情形表面空间电荷区厚度表面势半导体衬底施主掺杂浓度n型衬底阈值反型点：表面势=2倍费米势，表面处空穴浓度=体内电子浓度阈值电压：使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压2021/8/12XIDIANUNI

8、VERSITY1.1MOS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2