半導體器件物理2008-第4章

1、MOS 電容七、表面勢和柵壓的關系由前面講的四個基本的方程GBV s sQ0ox s)m(s(1234)ox0oCx QG(3) (2)CoxoxQs 0Q0 氧化層上的電壓降由界oxCCoxox面氧化層電荷Q0和半導體表面層電荷決定(1)變?yōu)镼0 VGBsmsCCoxoxQs VFBsCox八、表面反型狀態(tài)在一般MOS器件中，反型層導電溝道，是影響電，所以表面反型狀態(tài)對MOS器件至流導通的主要關重要。表面電荷包括耗盡層電離電荷和反型層載流子電荷。反型層載流子主要分布在緊靠表面大約100的薄層內(nèi)。這比耗盡層小得多，因此通常假定反型層是一個厚度可以忽略的薄層。這一近似稱為電荷薄層近 似。在此近似

2、下反型層上的電壓降可以忽略，即表面勢全部降落在耗盡層上。（1）反型層電荷反型時s F，而F t , (設想一個簡并摻雜的p型Si，F(xiàn) 0.55V ,t 0.026V ),由Q（s s）公式：1 s t )2Qs 2q s NA t est t s e2Ft (t est代入上述條件，得：1Qs 2q s NA s te(s 2F ) t 2(2)Qs由反型層電荷Qn和耗盡層電荷QB組成Qs Qn QB(3)由電荷薄層近似，QB 為 ANs則反型層電荷為：(e s 2N)tFAsts(2)強反型層電荷半導體表面的電子濃度等于體內(nèi)多子空穴濃度時開始強反型。s 2F則表面層電荷（A N 2t） 2q

3、（NA2）FsF此時柵壓VGB為：QsVGBCox（ q）Cox2FV2sNA第三項的系數(shù)稱為襯偏系數(shù)GBV一般定義半導體表面出現(xiàn)強反型所需的柵壓為閾值電壓VT0 VFB 2F 2FVTOVGB大于VTO后，VGB增加，Qn增加很快，QB變化很小，也就是說VG VTO ,VG ,ox ,s變化很小s 2F通常假定強反型時2 s這時，耗盡層厚度達到最大值(2W)maxFqNA相應的耗盡層電荷為：2q s NA (2F )QB qN AWmax 因為強反型后s不變，則Qn Cox (VGB VT 0 )九、 理想的MOS電容特性MOS電容的表達等效電路：式：測量方法：直流掃描電壓交流小信號偏壓定義

4、：111理想情況下0C CCCoxsoC dQo odsC dQs sdsdQg dQs dQo dsdsds111CC oxdQ gd sdV d dQg gsCoxC dQgdVg理想MOS電容 CV特性的確定方法：利用感生電荷QS與表面勢s間的關系，得到CS s利用Cg與Cs的關系得到C- s利用QS 、s與Vg的關系確定Vg- s對應與一個確定的 s，在（C，Vg坐標系中可以確定相應的點CinvCaccCdepCV特性曲線 與頻率相關 CoxCinvCaccCdepCs Cox2kTC s/s 0 ,Qs011LCs C ds Cfb CLsoxs LdNkTda s1 1 1CCsC

5、CCCxC oxsooxdV2VV22 C1V s2 Cox1 gFB oxx 1 gFBqNd qNCoxsasa s 0耗 盡平帶Cox積累C-V 與頻率相關！原因：反型層電荷為少數(shù)載流子電荷由少子的產(chǎn)生時間決定 o 1s 少子 0.2sinv低頻 LF：1E5Hz Qinv的變化跟不上交流信號的變化交流信號積累和耗盡時為什么與頻率無關？此時MOS電容中的電荷為多子電荷 s多子的響應時間為：介電弛豫時間10-12s s 低頻CVCs CoxCCoxQinv能跟上交流信號的變化 高頻CVQinv跟不上交流信號的變化反型層仍存在 深耗盡 直流掃描電壓變化快 10V/s無時間建立Qinv反型層不

6、存在與交流的頻率無關C s sxdmx 2 sf dmqNaCV沿耗盡曲線繼續(xù)，xdxdm 1x1CDD d Cox s 1x1CHF dm Cox s耗盡層電荷將在Qbmax附近波動q2f 1C 1kT,LF minCLoxsds 2 fs/2kT反 型Q CVVinvoxgT頻率特性DC平衡AC平衡DC平衡AC非平衡DC非平衡AC非平衡MOS電容的頻率特性MOSFET能否在高頻下工作？利用MOS電容測量少子或產(chǎn)生時間MOSFET （一）MOSFET器件結構MOSFET的結構電極及區(qū)域劃分：從高質(zhì)量的柵氧化層上引出的電極：柵極（Gate） G從源區(qū)和漏區(qū)上引出的電極源極（Source） S

7、漏極（Drain） D從襯底引出的電極襯底極（Bulk or Substrate） B區(qū)域劃分：有源區(qū)源區(qū)、漏區(qū)和柵區(qū)場區(qū)有源區(qū)以外的區(qū)域工作原理載流子運動方向： SD電壓：電極上的電位：VG，VS，VD，VB柵源電壓：VGS 漏源電壓：VDS襯偏電壓：VBS電流：漏極電流：ID（流入為正）柵極電流：IG（直流時0）襯底極電流：IB（0）MOSFET的工作過程及IV特性IDSVGVtVt類型1、n溝和p溝按溝道載流子的類型來劃分nMOSFET：電子導電pMOSFET：空穴導電2、增強與耗盡VGS=0，VDS、VBS一定值時MOSFET導通，ID0，耗盡型MOSFET不導通，ID=0，增強型MO

8、SFET的能帶閾值電壓閾值電壓VT 的定義：Si/SiO2界面半導體一側(cè)剛達到強反型時的柵源電壓。推導閾值電壓的基本假定：長溝、寬溝器件（忽略邊緣效應）襯底均勻摻雜 SiO2層中電荷QOX 分布在Si/SiO2界面的SiO2一側(cè) 強反型近似成立強反型近似可歸納為三個遠大于和三個不變推導閾值電壓的基本假定三個遠大于：半導體一側(cè)剛達到強反型時耗盡層厚度 反型層厚度降落在耗盡層上的壓降降落在反型層上的壓降表面耗盡區(qū)中空間電荷面密度QB 反型層中電子電荷面密度Qn（或Qp）三個不變：剛達到強反型后，再改變柵壓，導致溝道的導電載流子數(shù)目增加。假定在這個過程中有三個量不變：表面耗盡區(qū)最大電荷面密度QBM

9、；耗盡層厚度xdm；強反型表面勢sinvVBS=0時的閾值電壓基本關系： VGB = OX+ 或VGB = OX+ S+MSS+SS 電荷守恒：QG+QBM+QOX+Qn = 0 QG = COX OX VBS=0時MOS達到強反型的條件：Vsinv= 2 F利用上述關系式，推導出VBS=0 時的閾值電QBM壓：VTVBS 0 VFB 2FCoxVBS=0時的閾值電壓對閾值電壓的分析（Al柵和n+多晶硅柵nMOSFET可以是增強或耗盡型的Al柵和n+多晶硅柵pMOSFET只能是增強型的。）VFB-QBM/COX2FnMOSFET-+pMOSFET-VBS=0時的閾值電壓如何控制和調(diào)整閾值電壓的

10、大?。緾OX ：調(diào)整tOX（與工藝水平關系密切）增大tOX ，MOSFET向增強的方向變襯底勢F ：調(diào)整襯底摻雜濃度增大襯底摻雜濃度，MOSFET向增強的方向變平帶電VFB柵氧化層電荷面密度QOX導致了閾值電壓的不穩(wěn)定，應盡力減小。包括四個部分：固定電荷Qf ，可動電荷Qm ，界面陷阱電荷Qit ，氧化層陷阱電荷Qot功函數(shù)差MS (SS)VBS=0時的閾值電壓關于場開啟電壓的： 調(diào)整場開啟的工藝：提高場區(qū)氧化層厚度；場區(qū)注入與襯底相同類型的雜質(zhì)。增大場區(qū)閾值電壓（場開啟電壓），防止場區(qū)誤導通一般為保險起見，讓場開啟電壓為工作電壓的2倍。VBS0時的閾值電壓考慮nMOSFET， VBS0,VGS 0， VDS=0，VBS=VBD定義場感應結：表面反型層與襯底半導體之間形成的pn結襯偏電壓VBS相當于加在場感應結上，電子和空穴的準費密能級分開EFn qVBSEFpVBS0時的閾值電壓sin v VBS 2FVBS強反型表面勢：閾值電壓公式推導：QBM VBS V VVGBFBsin vBSCQVoxV V V 2 VBMBSTBSGSFBFCox0 2QBMV 0 VTFBFCoxQBM VBS 2q s N Asin v VBS 2q s NA 2FVBSVBS0和VBS=0閾值電壓的區(qū)別：