半导体器件物理-MOSFET.ppt

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1、西安电子科技大学XIDIDIANUNIVERSITY第四章MOS场效应晶体管MOSFET的预备知识2021/10/51场效应器件物理2021/10/5XIDIANUNIVERSITY4.0MOSFET的预备知识MOS电容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MOS电容2021/10/5XIDIANUNIVERSITY4.0MOSFET的预备知识平行板电容平行板电容：上下金属极板，中间为绝缘材料单位面积电容：外加电压V，电容器存储的电荷：Q=CV，氧化层两侧电场E=V/dMOS结构：具有Q随V变化的

2、电容效应，形成MOS电容2021/10/5XIDIANUNIVERSITY4.0MOSFET的预备知识能带图能带结图：描述静电偏置下MOS结构的内部状态，分价带、导带、禁带晶体不同，能带结构不同，能带宽窄，禁带宽度大小不同金属（价带、导带交叠：EF）、氧化物（Eg大）、半导体（Eg小）半导体掺杂类型不同、浓度不同，EF的相对位置不同导带底能级禁带中心能级费米能级价带顶能级2021/10/5XIDIANUNIVERSITY4.0MOSFET的预备知识表面势和费米势费米势：半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势表示，表面势：半导体表面电势与体内电势之差，能级的高低代表了

3、电子势能的不同，能级越高，电子势能越高如果表面能带有弯曲，说明表面和体内比：电子势能不同，即电势不同，采用单边突变结的耗尽层近似，耗尽层厚度：P型衬底禁带中心能级费米能级2021/10/5XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容表面电荷面电荷密度一块材料，假如有均匀分布的电荷，浓度为N，表面积为S，厚度为d材料总电荷为Q=表面S单位面积内的电荷（面电荷密度）Q`=SdN2021/10/5XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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

4、（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2021/10/5XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容表面能带图:p型衬底(1)负栅压情形负栅压——多子积累状态电场作用下，体内多子顺电场方向被吸引到S表面积累能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯，<02021/10/5XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容表面能带图:p型衬底(1)零栅压情形零栅压—平带状态理想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02021/10/5XID

5、IANUNIVERSITY4.0MOS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——多子耗尽状态电场作用下，表面多子被耗尽，留下带负电的受主离子Na-，不可动且由半导体浓度的限制，形成一定厚度的负空间电荷区xd能带变化：P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯，>0xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度半导体表面处，耗尽层面电荷密度Q`dep=eNaxd正栅压↑，增大的电场使更多的多子耗尽，xd↑，能带下弯增加2021/10/5XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容表面能带图:p型衬底(2)大的正栅压——反型状态能带下弯程度↑，表面EFi

6、到EF下，表面具n型。栅压增加，增大，更多的多子被耗尽，Q`dep（=eNaxd）增加同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面反型电子Qinv积累，反型层形成反型层电荷面密度Q`inv=ensxinv栅压↑，反型层电荷数Qinv增加，反型层电导受栅压调制大的正栅压情形2021/10/5XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容表面反型层电子浓度与表面势的关系反型层电荷浓度：P型衬底阈值反型点：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反型点时的栅电压2021/10/5XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容空间电荷区厚度:表

7、面反型情形阈值反型点表面电荷特点：浓度：ns=PP0；厚度：反型层厚度Xinv<<耗尽层厚度Xd反型层电荷Q`inv=ensXinv<