2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：半導(dǎo)體效應(yīng)晶體管

半導(dǎo)體效應(yīng)晶體管理想MOS結(jié)構(gòu)：理想結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)：（1）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷;（2）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零;（3）層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過(guò)。因此，即使有外加電壓，表面空間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個(gè)表面空間電荷區(qū)中費(fèi)米能級(jí)為常數(shù)。載流子積累：隨著外加偏壓的改變，半導(dǎo)體表面的多數(shù)載流子濃度可能大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度，這種現(xiàn)象稱為載流子積累。載流子耗盡：在外加偏壓的作用下，半導(dǎo)體表面的多數(shù)載流子濃度大大低于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度，少數(shù)載流子濃度增加，大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電離雜質(zhì)濃度。與電離雜質(zhì)濃度相比，自由載流子濃度可以忽略，這種現(xiàn)象稱為載流子耗盡。（或：在外加偏壓的作用下，半導(dǎo)體表面自由載流子濃度與電離雜質(zhì)濃度相比可以忽略的現(xiàn)象稱為載流子耗盡。）載流子反型：在外加偏壓的作用下，半導(dǎo)體表面的少數(shù)載流子濃度等于或高于本征載流子濃度的現(xiàn)象稱為載流子反型。溝道電荷：半導(dǎo)體表面反型層中的反型自由載流子電荷。解釋出現(xiàn)反型層以后的電容C與測(cè)量頻率有關(guān)的現(xiàn)象。答：所謂電容與測(cè)量頻率有關(guān)，就是與交變信號(hào)電壓的頻率有關(guān)。在出現(xiàn)反型層以后，特別是在接近強(qiáng)反型時(shí)，表面電荷由兩部分所組成：一部分是反型層中的電子電荷，它是由少子的增加引起的。另一部分是耗盡層中的電離受主電荷，它是由于多子空穴的喪失引起的。（6-21）表面電容為考慮是怎樣積累起來(lái)的。例如，當(dāng)MOS上的電壓增加時(shí)，反型層中的電子數(shù)目要增多。P型襯底中的電子是少子，由襯底流到表面的電子非常少，因此，反型層中電子數(shù)目的增多，主要依靠耗盡層中電子—空穴對(duì)的產(chǎn)生。在反型層中實(shí)現(xiàn)電子的積累是需要一個(gè)過(guò)程的。這個(gè)過(guò)程的弛豫時(shí)間由非平衡載流子的壽命所決定，一般比較長(zhǎng)。同樣，當(dāng)MOS上的電壓減小時(shí)，反型層中的電子要減少。電子數(shù)目的減少主要依靠電子和空穴在耗盡層中的復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果測(cè)量電容的信號(hào)頻率比較高，耗盡層中電子—空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合過(guò)程跟不上信號(hào)的變化，那么，反型層中的電子電荷也就來(lái)不及改變。于是，（6-47）

這樣在高頻情況下，隨著直流偏壓的增加，增大，電容C減小。當(dāng)表面形成了強(qiáng)反型層時(shí)，強(qiáng)反型層中的電子電荷隨直流偏壓的增加而e指數(shù)地增加，對(duì)直流偏置電場(chǎng)起屏蔽作用。于是，耗盡層寬度不再改變，達(dá)到極大值。這時(shí)，MOS系統(tǒng)的電容C要達(dá)到極小值。在接近強(qiáng)反型區(qū)，如果測(cè)量電容的信號(hào)頻率比較低，耗盡層中電子—空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)合過(guò)程能夠跟得上信號(hào)的變化，這時(shí)，反型層中的電子電荷的變化，屏蔽了信號(hào)電場(chǎng)，對(duì)表面電容的貢獻(xiàn)是主要的，而耗盡層的寬度和電荷基本上不變，因此在這種情況下，表面電容由反型層中電子電荷的變化所決定

在形成強(qiáng)反型以后，隨變化很快，的數(shù)值很大。于是，MOS系統(tǒng)的電容C趨近，即隨著的增加，C經(jīng)過(guò)一個(gè)極小值，而后迅速增大，最后趨近于。以上說(shuō)明了MOS系統(tǒng)的C-V關(guān)系隨測(cè)量頻率變化的原因。（6-50）MOS結(jié)構(gòu)存在哪些氧化層電荷和界面陷阱電荷？簡(jiǎn)述它們的基本屬性。答：它們是：界面陷阱電荷、氧化物固定電荷、氧化物陷阱電荷和可動(dòng)離子電荷。界面陷阱電荷，在界面上的陷阱，其能級(jí)位于硅禁帶之內(nèi)。界面態(tài)密度（即單位面積陷阱數(shù)）和晶面取向有關(guān)。在(100)面界面態(tài)密度比(111)面的約少一個(gè)數(shù)量級(jí)。氧化物固定電荷位于界面約3nm的范圍內(nèi)，這些電荷是固定的，在表面勢(shì)大幅度變化時(shí)，它們不能充放電。通常是正的。（100）面的和較低，故MOS結(jié)構(gòu)中硅一般采用（100）晶面。氧化物陷阱電荷，和二氧化硅缺陷有關(guān)。例如，在受到x射線輻射或高能電子轟擊時(shí)，就可能產(chǎn)生這類電荷。這些陷阱分布在二氧化硅層內(nèi)。這些和工藝過(guò)程有關(guān)的大都可以通過(guò)低溫退火消除?？蓜?dòng)離子電荷，諸如鈉離子和其它堿金屬離子，器件制造過(guò)程中由可動(dòng)離子沾污引起的。在高溫和高壓下工作時(shí)，它們能在氧化層內(nèi)移動(dòng)。半導(dǎo)體器件在高偏置電壓和高溫條件下工作時(shí)的可靠性問(wèn)題可能和微量的堿金屬離子沾污有關(guān)。在高偏置電壓和高溫條件下，可動(dòng)離子隨著偏置條件的不同可以在氧化層內(nèi)來(lái)回移動(dòng)，引起C－V曲線沿電壓軸移動(dòng)。因此，在器件制造過(guò)程中要特別注意可動(dòng)離子沾污問(wèn)題。寫出實(shí)際閾值電壓的表達(dá)式并說(shuō)明各項(xiàng)的物理意義答：式中第一項(xiàng)是為消除半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對(duì)于半導(dǎo)體所需要加的外加電壓；第二項(xiàng)是為了把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加的外加電壓；第三項(xiàng)是當(dāng)半導(dǎo)體表面開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)，半導(dǎo)體空間電荷區(qū)中的電荷與金屬電極的相應(yīng)電荷在絕緣層上所產(chǎn)生的電壓降，亦即支撐出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)所需要的體電荷所需要的外加電壓；第四項(xiàng)是，開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)反型層時(shí)，半導(dǎo)體表面所需的表面勢(shì)，也就是跨在空間電荷區(qū)上的電壓降。是實(shí)際閾值電壓，是使MOSFET出現(xiàn)強(qiáng)反型所需的最小柵偏壓?！玻?-66）〕畫出MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖，簡(jiǎn)述其工作原理。答：MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖如圖〔6-1〕所示。它是一個(gè)四端器件。其結(jié)構(gòu)是在P型硅襯底上形成作為源和漏的兩個(gè)區(qū)。氧化物上的金屬電極叫做柵極。通常把源和漏下方區(qū)域稱為場(chǎng)區(qū)，而把柵下區(qū)域稱為有源區(qū)。器件的基本參數(shù)是溝道長(zhǎng)度（兩個(gè)結(jié)間的距離），溝道寬度Z，氧化層厚度，結(jié)深，以及襯底摻雜濃度等。以源極作為電壓的參考點(diǎn)。當(dāng)漏極加上正電壓，而柵極未加電壓時(shí)，從源極到漏極相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。從源到漏的電流只不過(guò)是反向漏電流。當(dāng)柵極加上足夠大的正電壓時(shí)，中間的MOS結(jié)構(gòu)發(fā)生反型，在兩個(gè)區(qū)之間的P型半導(dǎo)體形成一個(gè)表面反型層（即導(dǎo)電溝道）。于是源和漏之間能通過(guò)N型表面溝道流過(guò)電流。這