半导体课件第六章概要.ppt

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1、第六章金属—氧化物—半导体场效应晶体管6.1理想MOS结构的表面空间电荷区6.1理想MOS结构的表面空间电荷区理想MOS结构基于以下假设：（1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。（2）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图6-2b中的情形。〔由于假设（1）、（2），在无偏压时半导体能带是平直的。〕（3）层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。这些假设在以后将被取消而接近实际的MOS结构。6.1理想MOS结构的表面空间电荷区半导体表面空间电荷

2、区：每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系（6-1）式中=自由空间的电容率=氧化物的相对介电常数=半导体表面的电场=半导体相对介电常数=空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。外加电压为跨越氧化层的电压和表面势所分摊：（6-2）6.1理想MOS结构的表面空间电荷区图6-3加上电压时MOS结构内的电位分布6.1理想MOS结构的表面空间电荷区根据所加栅极的极性和大小，可能出现三种不同表面情况：载流子积累、耗尽和反型载流子积累：紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时，称为载流子积累现象。单位面积下的空间电荷6.1理想MOS结构的

3、表面空间电荷区图6-4几种偏压情况的能带和电荷分布6.1理想MOS结构的表面空间电荷区载流子耗尽单位面积下的总电荷为式中为耗尽层宽度。（6-6）（6-7）（6-5）6.1理想MOS结构的表面空间电荷区6.1.3反型和强反型条件载流子反型：载流子类型发生变化的现象或者说半导体的导电类型发生变化的现象。导出MOSFET反型和强反型条件反型条件:强反型条件:式中为出现强反型时的表面势。（6-17）（6-18）6.2理想MOS电容器6.2理想MOS电容器系统单位面积的微分电容微分电容C与外加偏压的关系称为MOS系统的电容—电压特性。若令（6-22）（6-23）

4、（6-24）（6-25）6.2理想MOS电容器则=绝缘层单位面积上的电容，=半导体表面空间电荷区单位面积电容。称为系统的归一化电容。（6-26）（6-28）（6-29）6.2理想MOS电容器将电容随偏压的变化分成几个区域，变化大致情况如图6-7所示。图6-7P型半导体MOS的C-V特性解释出现反型层以后的电容C与测量频率有关的现象。答：所谓电容与测量频率有关，就是与交变信号电压的频率有关。在出现反型层以后，特别是在接近强反型时，表面电荷由两部分所组成：一部分是反型层中的电子电荷，它是由少子的增加引起的。另一部分是耗尽层中的电离受主电荷，它是由于多子空穴

5、的丧失引起的。（6-21）表面电容为考虑是怎样积累起来的。例如，当MOS上的电压增加时，反型层中的电子数目要增多。P型衬底中的电子是少子，由衬底流到表面的电子非常少，因此，反型层中电子数目的增多，主要依靠耗尽层中电子—空穴对的产生。在反型层中实现电子的积累是需要一个过程的。这个过程的弛豫时间由非平衡载流子的寿命所决定，一般比较长。同样，当MOS上的电压减小时，反型层中的电子要减少。电子数目的减少主要依靠电子和空穴在耗尽层中的复合来实现。如果测量电容的信号频率比较高，耗尽层中电子—空穴对的产生和复合过程跟不上信号的变化，那么，反型层中的电子电荷也就来不及

6、改变。于是，（6-47）这样在高频情况下，随着直流偏压的增加，增大，电容C减小。当表面形成了强反型层时，强反型层中的电子电荷随直流偏压的增加而e指数地增加，对直流偏置电场起屏蔽作用。于是，耗尽层宽度不再改变，达到极大值。这时，MOS系统的电容C要达到极小值。在接近强反型区，如果测量电容的信号频率比较低，耗尽层中电子—空穴对的产生与复合过程能够跟得上信号的变化，这时，反型层中的电子电荷的变化，屏蔽了信号电场，对表面电容的贡献是主要的，而耗尽层的宽度和电荷基本上不变，因此在这种情况下，表面电容由反型层中电子电荷的变化所决定在形成强反型以后，随变化很快，的数

7、值很大。于是，MOS系统的电容C趋近，即随着的增加，C经过一个极小值，而后迅速增大，最后趋近于。以上说明了MOS系统的C-V关系随测量频率变化的原因。（6-50）6.3沟道电导与阈值电压6.3沟道电导与阈值电压一沟道电导式中为沟道中的电子浓度。为沟道宽度。即为反型层中单位面积下的总的电子电荷沟道电导为（6-51）（6-52）（6-53）6.3沟道电导与阈值电压二阈值电压：定义为形成强反型所需要的最小栅电压。当出现强反型时沟道电荷受到偏压控制，这正是MOSFET工作的基础。阈值电压：第一项表示在形成强反型时，要用一部分电压去支撑空间电荷；第二项表示要用一

8、部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表面势。（6-51）（6-54）（6-55）6.4