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1、第十一章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础1MOSFET基础MOS结构,CV特性n11.1双端结构n11.2电容电压特性n11.3基本工作原理n11.4频率限制特性n11.5技术n11.6小结311.1 双端MOS结构n11.1.1 能带图n11.1.2 耗尽层厚度n11.1.3 功函数差n11.1.4 平带电压n11.1.5 阈值电压n11.1.6 电荷分布411.1 MOS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SiSiO25实际的铝线-氧化层-半导体（M:约10000A O:250A S:约0.51mm）611.1 MOS电容 表面能带图:p型
2、衬底(1)负栅压情形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FSvFSvEEEE711.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2)小的正栅压情形小的正栅压情形大的正栅压情形大的正栅压情形(耗尽层)(反型层+耗尽层)dTXFSvFSFiEEEEFSvFSFiEEEE811.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形正栅压情形FScFSCEEEE911.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(2)小的负栅压情形小的负栅压情形大的负栅压情形大的负栅压情形(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型FScFSFiEEEEFScFSFiEEEE10小节内容n11.1.1 能带图n随便画能带图,
3、要知道其半导体类型n加什么电压往那里弯曲1111.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面耗尽情形费米势费米势表面势表面势表面空间电表面空间电荷区厚度荷区厚度s半导体表面电势与体内电势之差半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势表示采用单边突变结的耗尽层近似P型衬底型衬底1211.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面反型情形阈值反型点条件：表面处的电子浓度阈值反型点条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度体内的空穴浓度表面空间电荷表面空间电荷区厚度区厚度P型衬底型衬底表面电子浓度：表面电子浓度：exp()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT体内空穴浓度：体内空穴浓度：exp()FiFi
4、EEpnkTexp()fpienkT2sfp栅电压栅电压=阈值电压阈值电压表面空间电荷区表面空间电荷区厚度达到最大值厚度达到最大值1311.1 MOS电容 空间电荷区厚度:n型衬底情形阈值反型点条件：阈值反型点条件：表面势表面势=费米势的费米势的2倍，表面处的空穴浓度倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，栅电压体内的电子浓度，栅电压=阈值电压阈值电压表面空间电荷表面空间电荷区厚度区厚度表面势表面势n型衬底型衬底1411.1 MOS电容 空间电荷区厚度:与掺杂浓度的关系实际器件参数区间15小节内容n11.1.2 耗尽层厚度n耗尽情况n反型情况n会算其厚度n了解阈值反型点条件n常用器件掺杂范围16
5、11.1 MOS电容 功函数差:MOS接触前的能带图金属的功函数金属的费米能级二氧化硅的禁带宽度二氧化硅的电子亲和能硅的电子亲和能02gsFsfpEWEEee)2(fpgmsmmseEeWW（电势表示）差金属与半导体的功函数0mFmmWEEe金属的功函数半导体的功函数绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，1711.1 MOS电容 功函数差:MOS结构的能带图条件：零栅压，条件：零栅压，热平衡热平衡零栅压下氧化物二侧的电势差修正的金属功函数零栅压下半导体的表面势修正的硅的电子亲和能二氧化硅的电子亲和能1811.1 MOS电容 功函数差:计算公式00()2()gmsmfpoxSEeV V83
6、.0)cm10,K300(V228.0:SiSiOAleV11.1:SiV25.3:SiOSiV20.3:SiOAlms314222afpgmNTE00bioxSVV 内建电势差：ms功函数差1911.1 MOS电容 功函数差:n掺杂多晶硅栅(P-Si)0MOSFET为增强型VG=0时未反型，加有正栅压时才反型VTN0MOSFET为耗尽型VG=0时已反型，加有负栅压后才能脱离反型P型衬底MOS结构2911.1 MOS电容 阈值电压:n型衬底情形02|2|maxmaxfnFBoxSDfnmsoxssoxSDTPVCQCQCQV30)2(fpgmmseEoxssmsFBCQV/费米势费米势表面耗尽
7、层最大厚度表面耗尽层最大厚度单位面积表面耗尽层电荷单位面积表面耗尽层电荷oxoxoxtC/dTaSDxeNQ|max单位面积栅氧化层电容单位面积栅氧化层电容平带电压平带电压阈值电压阈值电压11.1 MOS电容 n型衬底与p型衬底的比较dTdSDxeNQ|max)2(fngmmseEp型衬底MOS结构n型衬底MOS结构oxoxoxtC/oxssmsFBCQV/阈值电压典型值阈值电压典型值金属金属-半导体功函数差半导体功函数差3111.1 MOS电容 表面反型层电子密度与表面势的关系316316cm101V695.02V347.0K300cm103sfpsfpanTN反型实例：3211.1 MOS
8、电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系半导体表面状态的变化时衬底型GSVSip堆积堆积平带平带耗尽耗尽弱反型弱反型强反型强反型33小节内容n11.1.6 电荷分布n分布图n11.1.5 阈值电压n概念n电中性条件n与谁有关?如何理解?nN型 P型及掺杂的关系3411.2节内容n理想情况CV特性n频率特性n氧化层电荷及界面态的影响n实例3511.2 C-V特性什么是C-V特性？)(VfdVdQC平带平带电容-电压特性3611.2 C-V特性 堆积状态加负栅压，堆积层电荷能够跟得上栅压的变化，相当于栅介质平板电容oxoxoxtCC)acc(平带平带本征本征3711.2 C-V特性 平带状态所加负栅
9、压正好等于平带电压VFB，使半导体表面能带无弯曲asoxoxoxoxFBeNekTttC平带平带本征本征3811.2 C-V特性 耗尽状态加小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅压的变化而变化，出现耗尽层电容平带平带本征本征C相当与Cox与Csd串联min(dep)oxoxoxoxdTCttx)dep(CxVdG3911.2 C-V特性 强反型状态(低频)加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层电荷跟得上栅压的变化平带平带本征本征oxoxoxtCC)inv(4011.2 C-V特性 n型与p型的比较p型衬底MOS结构n型衬底MOS结构4111.2 C-V特性 反型状态(高频)dToxoxoxoxxttCCm
10、in)dep()inv(加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅压变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电容对C有贡献。此时，耗尽层宽度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。MHz1fHz1005f栅压频率的影响42小节内容n理想情况CV特性nCV特性概念n堆积平带耗尽反型下的概念n堆积平带耗尽反型下的计算n频率特性n高低频情况图形及解释4311.2 C-V特性 氧化层电荷的影响曲线左移，反之右移VCVQFBss例图例图:如果如果Qss均为正电荷均为正电荷,需需要额外牺牲负电荷来中和界要额外牺牲负电荷来中和界面的正电面的正电,所以平带电压更负所以平带电压更负-+ssFBmsoxQVC平
11、带电压4411.2 C-V特性 界面陷阱的分类被电子占据（在EFS之下）带负电，不被电子占据（在EFS之上）为中性被电子占据（在EFS之下）为中性，不被电子占据（在EFS之上）带正电（界面陷阱）（界面陷阱）受主态容易接受电子带负电受主态容易接受电子带负电正常情况热平衡不带电正常情况热平衡不带电施主态容易放出电子带正电施主态容易放出电子带正电图图11.32 氧化层界面处界面态示意图氧化层界面处界面态示意图界面态：半导体界面处允许的能态界面态：半导体界面处允许的能态4511.2 C-V特性 界面陷阱的影响:堆积状态堆积状态：界面陷阱带正电，C-V曲线左移，平带电压更负例图例图:需要额外牺牲三个负电荷来中和需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电界面态的正电,所以平带电压更负所以平带电压更负-+施主态容易放出电子带正电施主态容易放出电子带正电46禁带中央：界面陷阱不带电，对C-V曲线无影响11.2 C-V特性 界面陷阱的影响:本征状态47反型状态：界面陷阱带负电，C-V曲线右移，阈值电压更正。11.2 C-V特性 界面陷阱的影响:反型状态例图例图:需要额外牺牲三个需要额外牺牲三个正电荷来中和界面态的负正电荷来中和界面态的负电电,所以阈值电压升高所以阈值电压升高_ _ _+受主态容易接受电子带负电受主态容易接受电子带负电48
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