半导体器件物理ppt.ppt

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1、MOSFET及相关器件现代半导体器件物理PhysicsofmoderSemiconductorDevices2007,5,19本章内容MOS二极管MOSFET基本原理MOSFET按比例缩小CMOS与双极型CMOS绝缘层上MOSFETMOS存储器结构功率MOSFET理想MOS二极管MOS二极管在半导体器件物理中的重要地位便于研究半导体表面特性．是先进IC中最重要的MOSFET器件的枢纽．可作为储存电容器，并且是电荷耦合器件(CCD)的基本组成部分．当金属板相对于欧姆接触为正偏压时，V>0；当金属板相对于欧姆接触为负偏压时，V<0．MOS二极管功函数(金属:qm;半导体:qs)为费

2、米能级与真空能级之间的能量差；qχ为电子亲和力，即半导体中导带边缘与真空能级的差值；qΨB为费米能级EF与本征费米能级Ei的能级差．理想MOS二极管定义：(1)在V=0时，金属与半导体功函数差为零(EF半导体=EF金属，qms=0)，能带是平的(称为平带状况)．(2)在V≠0时，二极管中的电荷仅位于半导体之中，且与邻近氧化层的金属表面电荷量大小相等，但极性相反；(3)在直流偏压下，无载流子通过氧化层，亦即R氧化层=∞。MOS二极管V=0时，理想p型MOS二极管的能带图．在SiO2-Si界面处产生空穴堆积，称为积累现象。此时，

3、Qm

4、=Qs当一理想MOS二极管偏压V<0或V>0时，

5、半导体表面可能会出现三种状况．以p型半导体为例：(1)当V<0时，SiO2-Si界面处将产生超量的空穴，使半导体表面的能带向上弯曲。理想MOS二极管内部无电流流动，所以半导体内部的EF=常数，而Ei随能带也向上弯曲，使（Ei-EF）变大。MOS二极管(2)当V>0且较小时，半导体表面的能带将向下弯曲，使表面EF=Ei，形成多数载流子(空穴)耗尽，称为耗尽现象。此时，np=pp=ni，Qsc=qNAW，其中W为表面耗尽区的宽度．(3)当V>0且较大时，能带向下弯曲更严重．使表面Ei

6、np>ni而pp空穴，使表面载流子呈现反型，称为反型现象．反型现象分为：弱反型和强反型当niNA时，处于强反型。发生强反型后：(1)反型层的宽度xi≈1nm~10nm，且xi<0．在半导体表面Ψ=Ψs>0，Ψs称为表面电势．表面载流子密度为

7、：MOS二极管FEVEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层对表面电势可以区分为以下几种情况：Ψs<0：空穴积累(能带向上弯曲)；Ψs=0：平带情况；ΨB>Ψs>0：空穴耗尽(能带向下弯曲)；Ψs=ΨB：禁带中心，即ns＝ps＝ni(本征浓度)；Ψs>ΨB：反型(能带向下弯曲超过费米能级)．电势为距离的函数，可由一维的泊松方程式求得为其中ρs(x)为位于x处的单位体积电荷密度，而εs为介电常数MOS二极管FE

8、VEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层耗尽近似法进行分析：当半导体耗尽区宽度达到W时，半导体内的电荷为ρs=-qNAW，积分泊松方程式可得距离x的函数的表面耗尽区的静电势分布：表面电势Ψs为此电势分布与单边的n+-p结相同。当Ψs=ΨB时，ns＝ps＝ni，可看作表面开始发生反型当Ψs>ΨB时，ns>ps，表面处于反型当Ψs>ΨB多大程度时，表面处于强反型状态，还需要一个准则MOS二极管FEVEiECE半

9、导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层设定表面电荷等于衬底杂质浓度是一个简单的准则，即ns=NA.可得可见：需要1ΨB，将表面的能带弯曲至本征的条件(Ei=EF)，开始发生反型需要2ΨB，才能将表面的能带弯曲至强反型的状态．ns=NA当表面为强反型时，表面的耗尽区宽度达到最大值．即当Ψs=Ψs(inv)=