尼曼半导体物理与器件第十章综述.pptVIP

电子反型电荷密度与表面电势的关系 . * （3）表面电荷浓度 由第4章中可知，导带中的电子浓度写为 p型半导体衬底，电子反型电荷浓度写为 其中，△?s是表面电势超过2?fp的部分。 则，电子反型电荷浓度可写为 其中，反型临界点的表面电荷密度nst为 * （4）功函数 金属-半导体功函数差定义为： . * （5）平带电压 定义：当半导体内没有能带弯曲时所加的栅压。此时净空间电荷为零。 前面的讨论中假设氧化物中的净电荷为零，而通常为正值的净固定电荷可存在于氧化物中靠近氧化物-半导体界面。 平带电压为 单位面积电荷数 单位面积的栅氧化层电容 . * （6）阈值电压 忽略反型层电荷，由电荷守恒原理，可得 其中 阈值电压定义：达到阈值反型点时所需的栅压。 阈值反型点的定义：对于p型器件当?s＝2?fp时或对于n型器件当?s＝2?fn时的器件状态。 阈值电压可表示为： . * p型、n型MOS电容器栅压比较： p型MOS电容器，负栅压表明其为耗尽型器件；正偏栅压将产生更多的反型层电荷电子。 n型MOS电容器，负栅压表明其为增强型器件；负偏栅压将产生更多的反型层电荷空穴。 . * 10.2 电容-电压特性 MOS电容结构是MOSFET的核心 器件的电容定义 其中，dQ为板上电荷的微分变量，它是穿过电容的电压dV的微分变量函数。 . . * 堆积模式下栅压微变时的微分电荷分布 （1）理想C-V特性 堆积模式下MOS电容器的单位电容C，即栅氧化层电容 MOS电容器在堆积模式时的能带图 tox εox 负栅压 * 栅氧化电容与耗尽层电容串联，电压微小变化将导致空间电荷宽度和电荷密度的微小变化。总电容为 MOS电容在耗尽模式时的能带图 耗尽模式当栅压微变时的微分电荷分布 εs εox tox . * 实线为理想MOS电容器的净电容 平带 由于达到阈值反型点时，空间电荷区宽度达到最大，此时 强反型，理想情况，MOS电容电压微小变化将导致反型层电荷微分变量发生变化，而空间电荷宽度不变。 反型层电荷跟得上电容电压变化，则总电容就是栅氧化电容 p型衬底MOS电容 低频 . * 通过改变电压坐标轴的符号，可得到n型衬底MOS电容器的理想C-V特性曲线。正偏压时为堆积模式，负偏压时为反型模式。 n型衬底MOS电容器理想低频电容和栅压的函数关系图 . * （2）频率特性 反型层中的电子浓度不能瞬间发生改变；高频时，只有金属和空间电荷区中的电荷发生改变，MOS电容器的电容就是前面所述的Cmin。 反型层电荷密度改变的电子来源： 一是来自通过空间电荷区的p型衬底中的少子电子的的扩散，即反偏pn结中理想饱和电流的产生； 二是在空间电荷区中由热运动形成的电子-空穴对，即pn结中反偏产生电流。 反型模式 . * p型衬底MOS电容器低频和高频电容与栅压的函数关系图 （3）固定栅氧化层和界面电荷效应 前面讨论的是理想情况下的C-V特性，实际上固定的栅氧化层电荷或氧化层-半导体界面的电荷会改变C-V特性曲线。 . . * 不同有效氧化层陷阱电荷值下，p型MOS电容器高频电容与栅压的函数关系图 氧化层界面处表明界面态的示意图 . * 当MOS电容器偏置时p型半导体中被表面态俘获的电荷及其能带图。 禁带中央 堆积模式 反型模型 . * MOS电容器的高频C-V特性曲线，说明界面态效应 * 10.3 MOSFET基本工作原理 MOS场效应晶体管的电路是由于反型层以及氧化层-半导体界面相邻的沟道区中的电荷的流动形成。 （1）MOSFET结构 MOSFET器件共有4种类型：n沟道增强型、p沟道增强型、n沟道耗尽型、p沟道耗尽型。 增强的含义：氧化层下面的半导体衬底在零栅压时不是反型的。 耗尽：栅压为零时氧化层下面已经存在沟道区。 . * n沟增强型 n沟耗尽型 . B p沟增强型 p沟耗尽型 . 高等半导体物理与器件 高等半导体物理与器件 . * * 当今集成电路设计的核心 * * * * * * * 对于给定的半导体材料、栅氧化层材料和栅金属，阈值电压是半导体掺杂浓度、栅氧化层电荷和栅氧化层厚度的函数。 阈值电压是MOSFET的一个重要参数，必须在电路设计的电压范围内。 * * * * * * 感兴趣的是双极晶体管中的电流。 * * 由前面的分析中可以综合得到n沟道增强型MOSFET的ID-VDS特性曲线 * 右图为常见n沟耗尽型MOSFET的ID-VDS特性曲线族 * P沟MOSFET的等效电路与n沟器件完全相同，知识所有电压的极性和电流方向都与n沟器件相反。各电容、电阻两者也相同。 * 高等半导体物理与器件第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 . * 主要内容 双端MOS结构 电容-电压特性 MOSFET基本工作原理 频率限制特性 小结 . * 10.1 双端MO