13 C-V特性 MOS管原理.ppt

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1、半导体物理与器件西安电子科技大学XIDIDIANUNIVERSITY张丽第11章MOSFET基础1.2C-V特性1.3MOS管原理2021/8/211.2C-V特性本节内容理想MOS电容的CV特性氧化层电荷对CV特性影响界面态概念及对CV特性影响2021/8/211.2C-V特性什么是C-V特性MOS电容C`=dQ/dV=Cox与Cs`的串联器件电容定义:相当于金属电容与半导体电容串联电阻越串越大，电容越串越小2021/8/211.2C-V特性理想MOS电容C-V特性电容-电压特性测试曲线直流电压：决定器件工作点，调整大小使MOS先后处于堆积、平带、耗尽、本征、反型几种

2、状态交流电压：幅值比较小，不改变S的状态测量电源：MOS外加栅压，在直流电压上叠加一交流小信号电压。2021/8/211.2C-V特性堆积状态加直流负栅压，堆积层电荷能够跟得上交流小信号栅压的变化。直观：相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。2021/8/211.2C-V特性平带状态所加负栅压正好等于平带电压VFB，使半导体表面能带无弯曲2021/8/211.2C-V特性耗尽状态加小的正栅压，表面耗尽层电荷随交流小信号栅压的变化而变化，出现耗尽层电容CSD`C’相当与Cox与Csd’串联2021/8/211.2C-V特性强反型状态CV特性测量直流偏压加交

3、流信号，VG变化，半导体表面电荷变化由谁来贡献？与交流信号的频率有关。2021/8/211.2C-V特性反型层电荷来源2021/8/21反型层电荷来源：（热运动产生的少子）1、P衬少子电子通过耗尽层到反型层（扩散+漂移）2、耗尽层中热运动产生电子空穴对，电子漂移到反型层。热运动：电子从价带激发到导带，产生自由电子和空穴，（电子热运动挣脱共价键束缚的过程）半导体始终存在热运动过程，不断有电子空穴对的产生和复合。栅压正向变化对应电子产生过程，负向变化对应电子复合过程;少子的产生复合过程需要时间。反型层电荷是否跟得上信号变化与信号频率相关：2021/8/211.2C-V特性强

4、反型状态(低频)加大的正直流栅压：半导体表面强反型状态交流栅压变化较慢：反型层电荷跟得上栅压的变化直观：相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。中反型：近似认为只改变耗尽层电荷到只改变反型层电荷之间的过渡区2021/8/211.2C-V特性反型状态(高频)加较大的直流正栅压：半导体表面强反型状态交流栅压变化较快：反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电荷对C有贡献。总电容？交流小信号：耗尽层宽度乃至耗尽层电容随栅压变化微弱。总电容值？2021/8/211.2C-V特性n型与p型的比较p型衬底MOS结构n型衬底MOS结构2021/8/211.2C-V特性氧化

5、层电荷的影响-----++例图:因为Qss均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电Q`ss使得S表面处于任状态时与无Q`ss相比VG都左移，Q`ss不是栅压的函数，栅压改变不影响Q`ss大小，移量相等。2021/8/211.2C-V特性界面陷阱的分类被电子占据（在EFS之下）带负电，不被电子占据（在EFS之上）为中性被电子占据（在EFS之下）为中性，不被电子占据（在EFS之上）带正电（界面陷阱）受主态容易接受电子带负电正常情况热平衡不带电施主态容易放出电子带正电界面电荷是栅压的函数：栅压会改变S表面的EF相对位置2021/8/212021/8/211.2C-V特性

6、界面陷阱的影响:本征本征态本征态：界面电荷不带电，对C-V曲线无影响禁带中央：CV曲线实虚线重和2021/8/212021/8/211.2C-V特性界面陷阱的影响:本征前本征之前：EFi>EF，总有施主态在EFS之上，施主态失去电子界面陷阱带正电。正施主态数量是栅压的函数。C-V曲线左移，左移量随栅压不等------+++例图:需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电本征态---2021/8/212021/8/21本征之后：EFi

7、个正电荷来中和界面态的负电,阈值电压升高++++++___2021/8/211.2C-V特性需掌握内容理想情况CV特性CV特性概念和CV特性测试原理MOS电容在不同半导体表面状态下的特点和公式频率特性高低频情况图形及解释思考：若直流电压变化快，CV曲线如何？非理想CV曲线氧化层电荷对CV特性影响界面态产生、分类及对CV特性影响2021/8/211.3MOSFET原理本节内容MOSFET基本结构电流电压关系——概念电流电压关系——推导跨导和沟道电导衬底偏置效应2021/8/211.3MOSFET原理MOSFET结构4端器件：S：source