场效应器件物理 MOS结构复习课程.ppt

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1、场效应器件物理MOS结构2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容MOS电容结构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2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容平行板电容平行板电容：上下两金属极板，中间为绝缘材料单位面积电容:C`=外加电压V，电容器存储的电荷：Q=，氧化层两侧电场E=MOS结构：具有Q随V变化的电容效应，形成MOS电容2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容实际的铝线-氧化层-半导体（M:约10000AO:25

2、0AS:约0.5~1mm）2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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（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。2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容能带图能带图：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

3、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2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容表面能带图:p型衬底(1)负栅压情形导带底能级禁带中心能级费米能级价带顶能级负栅压——多子积累状态金属一侧积累负电荷，半导体一侧感应等量正电荷外栅压产生从半导体指向金属的电场电场作用下，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，2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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

4、差为0。系统热平衡态，能带平，表面净电荷为02021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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，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xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度正栅压↑，增大的电场使更多的多子耗尽，xd↑，能带下弯增加2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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到EF下

5、，表面具n型。栅压增加，更多的多子被耗尽，P衬表面Na-增多，同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面出现电子积累，反型层形成栅压↑，反型层电荷数增加，反型层电导受栅压调制阈值反型后，xd↑最大值XdT不再扩展。大的正栅压情形2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形零栅压情形2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容表面能带图:n型衬底(2)(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型小的负栅压情形大的负栅压情形2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1.1能带图需掌握内容N型和P型半导体表面状态

6、随外加栅压的物理变化过程会画相应各状态能带图2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1.2耗尽层厚度本节内容耗尽层厚度公式耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因半导体表面状态和表面势的关系空间电荷层电荷与表面势的关系2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容空间电荷区厚度:表面耗尽情形费米势：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，能级的高低代表了电子势能的不同，能级越高，电子势能越高表面能带有弯曲，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

7、心能级费米能级2021/9/26XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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：Q=表面S单位面积内的电荷（面电荷密度）：Q`=MOS电容，耗尽层和反型层均在氧化层下方产生，表面积即栅氧化层面积耗尽层电荷面电荷密度：Q`SD=eNaXd反型层电荷面电荷密度：Q`inv=ensXnSdNd2021/9/26XIDIANUNIVERSITYΦs大小S表面状态S表面电荷Q