半导体物理与器件(吕淑媛)课件第7章MOS结构及MOSFET器件.pptx

第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件;　　　　MOS 结构是当今微电子技术的核心结构。 MOS 结构指的是金属 ( Metal )、氧化物( Oxide )二氧化硅和半导体(Semiconductor )硅构成的系统，更广义的说法是金属( Metal )绝缘体(Insulator )半导体( Semiconductor )结构，即 MIS 结构。其中用到的绝缘体不一定是二氧化硅。半导体也不一定是硅。由于 MIS 结构和 MOS 结构较为相似，在本章中将主要分析讨论 MOS 结构。　　MOS 结构也是金属 半导体 氧化物场效应晶体管( MOSFET )的核心，在本章中将主要讨论 MOS 结构的能带图，定性描述在静态偏置下 MOS 结构的电荷、电场和电容，并讨论MOS 结构的电容 电压特性。在此基础上讨论 MOSFET 的工作机理和直流特性。;7. 1 理想 MOS 结构;7. 1. 1 MOS 结构的构成　　MOS 结构由三部分组成，即由氧化层、氧化层隔开的金属和半导体衬底三者共同组成。金属通常可以选用铝或者其他金属，还可以是具有高电导的多晶硅。对于这种结构，通常以理想 MOS 结构作为对象来讨论，如果满足以下条件，则被称为理想的 MOS 结构:　　(1 )氧化层是非常理想的绝缘层，该层内没有任何电荷且完全不导电;　　(2 )金属和半导体之间不存在功函数差;　　(3 )半导体本身均匀掺杂且足够厚。;　　上述理想 MOS 结构的假设很接近实际 MOS 结构，其结构如图 7.1 所示。这种假设是为了在刚开始讨论这种结构时能最简单地处理问题，后面将根据实际 MOS 结构的情况对理想MOS 结构进行逐一修正，使理论分析的结果尽可能与实际相符。;;7. 1. 2 热平衡时的 MOS 结构　　在描述半导体器件的性能时，能带图是不可缺少的。为了和 MOS 结构外加偏压时的状态相比较，先画出组成 MOS 结构的三部分在未加偏压时各个部分的能带图，如图 7.2 ( a )所示。图 7.2 ( b )为热平衡时 MOS 结构的能带图。;;　　假设这三种物质具有共同的真空能级 E 0 ，从图 7.2 ( a )中可以看出，半导体和绝缘体能带的差异与前面的讨论一致，绝缘体的禁带宽度要比半导体大得多。按照理想 PN 结的假设，MOS 结构中的金属和半导体的功函数相等，绝缘体的费米能级位置也与金属和半导体相同，如图 7.2 ( a )所示。;7. 1. 3 外加偏压时的 MOS 结构　　由于 MOS 结构实际上就是一个电容，因此当其两端加上电压后，相当于金属和半导体的两个面上被充电，两边所带的电荷数量相等，电荷符号相反，保证器件中的电荷总和为零。但是这些电荷在两边的分布差别较大，由于金属这边电子密度很高，因此电荷只分布在靠近表面约为一个原子层的厚度范围内;对于半导体这边，载流子密度和金属相比要低很多，电荷只能分布在一定厚度的表面层内。通常把在半导体一侧有电荷存在的区域称为空间电荷区。;从半导体表面开始的空间电荷区内存在电场，到空间电荷区的另一端，电场强度减小为零。由于存在电场，在空间电荷区内还存在电势的变化，并导致电势能在空间电荷区内逐点变化，导致了能带的弯曲。下面针对一种具体的 MOS 结构分析它在不同的外加偏压下空间电荷区内的具体变化情况。　　假设所讨论的是一个由 P 型半导体构成的 MOS 结构，分以下三种情况分别讨论。;　　1. 多数载流子堆积状态　　当半导体一侧接正，金属一侧接负时， P 型衬底 MOS 结构多数载流子堆积状态如图 7.3(a )所示。类似电容器的充电过程，负电荷将出现在金属一侧，正电荷半导体一侧出现，半导体的空间电荷区内出现电场。;;　　从图 7.3 ( b )中可以看出，由于电场的方向是由半导体体内指向半导体表面。沿着电场的方向是电势减小的方向，乘以电子电量 - e ，就是电子电势能增加的方向。故表面处能带向上弯，而费米能级位置始终没有弯曲，保持平直，因此越向表面靠近，费米能级 E Fi 和价带顶E v 之间的距离越近，根据载流子浓度的计算公式，空穴的浓度也越大。在这种状态下，越靠近半导体表面的地方有越多的空穴分布，称为多数载流子堆积的状态，堆积的空穴主要分布在靠近表面的薄层内。;　　2. 多数载流子耗尽状态　　当金属一侧接正，半导体一侧接负时， P 型衬底 MOS 结构多数载流子堆积状态如图 7.4(a )所示。此时类似电容器的充电过程，正电荷出现在金属一侧，负电荷出现在半导体一侧，产生电场的方向也与图 7.3 ( a )恰好相反。相应的空间电荷区的能带弯曲也与图 7. 3 ( b )相反，能带向下弯。;　　从图 7.4 ( b )可以看出，由于能带向下弯，同