尼曼 半导体物理与器件第十章.ppt

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1、0高等半导体物理与器件第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础1主要内容双端MOS结构电容-电压特性MOSFET基本工作原理频率限制特性小结第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础210.1双端MOS结构MOSFET的核心为一个称为MOS电容的金属-氧化物-半导体结构金属可是铝或其他金属，更为通用的是多晶硅图中tox是氧化层厚度，εox是氧化层介电常数基本MOS电容结构第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础3（1）能带图借助平行板电容器加以解释加了负栅压

2、的p型衬底MOS电容器的电场，存在空穴堆积层加了负栅压的p型衬底MOS电容器的能带图第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础4加了小的正栅压的p型衬底MOS电容器的电场，产生空间电荷区加小正栅压的p型衬底MOS电容器的能带图第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础5随着正栅压的增大，半导体与氧化物接触的表面处能带继续弯曲，出现导带距费米能级更近，呈现出n型半导体特点，从而产生了氧化物-半导体界面处的电子反型层。第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础6对于n型衬底MOS电容器正栅压小负栅压第十章金

3、属-氧化物-半导体场效应晶体管基础7随着负栅压的增大，半导体与氧化物接触的表面呈现出p型半导体特点，从而产生了氧化物-半导体界面处的空穴反型层。第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础8（2）耗尽层厚度电势fp是EFi和EF之间的势垒高度：表面势s是体内EFi与表面EFi之间的势垒高度，是横跨空间电荷区的电势差。因此，空间电荷区宽度可类似单边pn结，写为第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础9p型半导体在阈值反型点时的能带图表面处的电子浓度等于体内的空穴浓度，该条件称为阈值反型点，所加栅压为阈

4、值电压。当外加栅压大于这一值之后，其变化所引起的空间电荷区变化很小。空间电荷区最大宽度xdT为第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础10对于n型衬底MOS电容器电势fn同样是EFi和EF之间的势垒高度：第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础电子反型电荷密度与表面电势的关系第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础11（3）表面电荷浓度由第4章中可知，导带中的电子浓度写为p型半导体衬底，电子反型电荷浓度写为其中，△s是表面电势超过2fp的部分。则，电子反型电荷浓度可写为其中，反型临界点的表面

5、电荷密度nst为12（4）功函数金属-半导体功函数差定义为：第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础13（5）平带电压定义：当半导体内没有能带弯曲时所加的栅压。此时净空间电荷为零。前面的讨论中假设氧化物中的净电荷为零，而通常为正值的净固定电荷可存在于氧化物中靠近氧化物-半导体界面。平带电压为单位面积电荷数单位面积的栅氧化层电容第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础14（6）阈值电压忽略反型层电荷，由电荷守恒原理，可得其中阈值电压定义：达到阈值反型点时所需的栅压。阈值反型点的定义：对于p型器件当s

6、＝2fp时或对于n型器件当s＝2fn时的器件状态。阈值电压可表示为：第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础15p型、n型MOS电容器栅压比较：p型MOS电容器，负栅压表明其为耗尽型器件；正偏栅压将产生更多的反型层电荷电子。n型MOS电容器，负栅压表明其为增强型器件；负偏栅压将产生更多的反型层电荷空穴。第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础1610.2电容-电压特性MOS电容结构是MOSFET的核心器件的电容定义其中，dQ为板上电荷的微分变量，它是穿过电容的电压dV的微分变量函数。第十章金属

7、-氧化物-半导体场效应晶体管基础第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础17堆积模式下栅压微变时的微分电荷分布（1）理想C-V特性堆积模式下MOS电容器的单位电容C'，即栅氧化层电容MOS电容器在堆积模式时的能带图toxεox负栅压假设栅氧化层中和氧化层-半导体界面处均无陷阱电荷。18C'（耗尽层）随空间电荷宽度的增大而减小栅氧化电容与耗尽层电容串联，电压微小变化将导致空间电荷宽度和电荷密度的微小变化。总电容为MOS电容在耗尽模式时的能带图耗尽模式当栅压微变时的微分电荷分布εsεoxtox第十章金属-

8、氧化物-半导体场效应晶体管基础19实线为理想MOS电容器的净电容平带由于达到阈值反型点时，空间电荷区宽度达到最大，此时强反型，理想情况，MOS电容电压微小变化将导致反型层电荷微分变量发生变化，而空间电荷宽度不变。反型层电荷跟得上电容电压变化，则总电容就是栅氧化电容p型衬底MOS电容低频第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础20通过改变电压坐标轴的符号，可得到n型衬底MOS电容器的理想C-V特性曲线。正偏压时为堆积模式，负偏压时为反型模式