1、 第十六章 MOS结构基础 本章作业：16.1,16.4,16.8,16.9,16.13,16.15补充基本概念补充基本概念真空能级：电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量功函数：从费米能级到真空能级的能量差电子亲和势：从半导体表面的导带到真空能级的能量差金属M，对某一金属是一定的，对不同金属是不同的半导体S=+（EC-EF）FB，随掺杂浓度而变 对同一种半导体而言是一定的，Ge,Si,GaAs分别为4.0,4.03,4.07eV.16.1理想MOS结构的定义（1）金属栅足够厚,是等势体（2）氧化层是完美的绝缘体 无电流流过氧化层（3）在氧化层中或氧化层-半 导体界面没有电荷中心（4）半导体
2、均匀掺杂（5）半导体足够厚，无论VG 多大，总有零电场区域（6）半导体与器件背面金属 之间处于欧姆接触（7）MOS电容是一维结构，所有 变量仅是x的函数（8）M=S=+(EC-EF)FB图16.1 金属-氧化物-半导体电容栅背接触或衬底接触0.011.0m16.2静电特性静电特性-定性描述定性描述1。图示化辅助描述-能带图和电荷块图表面（1）热平衡能带图）热平衡能带图由分立能带图得到MOS能带图包括两个步骤；（a）将M和S放到一起相距为x0，达到平衡时，M和S的费米能级必须持平；因假设M=S真空能级也必须对准。（在M-空隙-S系统的任何地方都没有电荷和电场）（b)将厚度为x0的绝缘体插入M与S
3、之间的空隙。（2）电荷块图）电荷块图 平衡条件下在理想MOS结构中任何地方都没有电荷。在MOS电容上加电压后，在M-O附近的M中以及O-S界面处会出现电荷。如右图的电荷块图。电荷块图本质上是一种定性表示，可定性说明电荷的大小和耗尽区的宽度。不考虑电荷在空间的具体分布 在建立电荷块图时，代表正、负电荷的面积应相等2外加偏置的影响外加偏置的影响n正常情况下，正常情况下，MOS电容背面接地，电容背面接地，VG定义为加在栅上定义为加在栅上的直流偏置。的直流偏置。n由于在静态偏置条件下没有电流流过器件，所以费米能由于在静态偏置条件下没有电流流过器件，所以费米能级不受偏置的影响，且不随位置变化。级不受偏置
4、的影响，且不随位置变化。n半导体体内始终保持平衡，与半导体体内始终保持平衡，与MOS栅上加电压与否无关栅上加电压与否无关n所加偏置所加偏置VG引起器件引起器件两端费米能级移动两端费米能级移动：EFM-EFS=-qVGnVG 0导致器件内部有电势差，引起导致器件内部有电势差，引起能带弯曲能带弯曲。金属是等。金属是等势体，无能带弯曲。绝缘体中的电场为匀强电场，电势势体，无能带弯曲。绝缘体中的电场为匀强电场，电势和电势能是位置和电势能是位置x的线性函数，的线性函数，VG 0，绝缘体和半导，绝缘体和半导体中的能带向上倾斜，反之，向下倾斜。体中的能带向上倾斜，反之，向下倾斜。n在半导体体内，能带弯曲消失
5、。在半导体体内，能带弯曲消失。N型衬底型衬底2。外加偏置的影响。外加偏置的影响图16.5 理想n型MOS电容的不同静态偏置下的能带图和对应的电荷块图2。外加偏置的影响。外加偏置的影响(2(体内）体内）表面）iFiiEEEEDbulkiFiFiisNnkTbulkEEnkTEsurfaceEnp)(exp)(exp特殊偏置区域特殊偏置区域nn型半导体nVG0,能带图如（a)所示，根据 在O-S 界面附近的电子浓度大于半导体体内的浓 度，称为“积累”。nVG0,(较小负偏置），电子的浓度在O-S界面附近降低，称为电子被“耗尽”，留下带正电的施主杂质。n若负偏电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯
6、曲，在表面的空穴浓度越来越多，增加到图16.（e),(f)所示情况时：ps=ND,VG=VT时，表面不再耗尽，反型和耗尽的转折点nVGVT时,表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这种情况称为“反型”。)exp(kTEEnniFi图16.6 p型器件在平带、积累、耗尽、反型情况下的能带图和对应的电荷块图特殊偏置区域np型半导体nVG0,(较小负偏置），空穴的浓度在O-S界面附近降低，称为空穴被“耗尽”，留下带负电的受主杂质。n若正偏电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯曲，在表面的电子浓度越来越多，增加到ns=NA,VG=VT时，表面不再耗尽nVGVT时,表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度
7、，这种情况称为“反型”。结 论 n型衬底VGACC(积累）DEPL（耗尽）INV（反型）0VT0VTACC(积累）DEPL（耗尽）INV（反型）P型VG16.3 静电特性静电特性-定量公式定量公式图16.7 静电参数目标：确定表面势s和费米势F与MOS偏置状态的关系取Ei（体内）为零电势能点，则任一x处电子的电势能为Ei(x)-Ei(体内）=-q(x)FiFiisiiEEqEEqxEEqx体内）表面）体内）体内）（(1(1)(1)任一点电势表面势费米势 F的正负和大小与Si衬底的导电类型和掺杂浓度有关0ln0lniDFiAFnNqKTnNqKTp型半导体n型半导体确定表面势s和费米势F与MOS
8、偏置状态的关系 平带 积累 耗尽 耗尽-反型过渡点 反型n 型 s=0 s0 2 F s0 s=2 F s2 Fp型 s=0 s0 0s2 F结 论 n型(F0)2 F平带耗尽-反型过渡点s16.3 静电特性静电特性-定量公式定量公式n1半导体静电特性的定量描述 目标：建立在静态偏置条件下，理想MOS电容内部 的电荷，电场E和电势金 属：M-O界面电荷分布在金属表面 几范围内 =，E=0，=常数绝缘体：=0，E=Eox，=Eoxx0半导体：体内E=0处=0 =（0）E=0 （x0)=0 (x0)耗尽近似解耗尽近似解半导体中积累半导体中积累以p型半导体为例MOS电容的半导体中电荷密度和电势的精确
9、解n半导体中耗尽层宽度半导体中耗尽层宽度耗尽层中的电荷密度泊松方程电 场电势电势表面势表面势x=W处，E（W)=0,(W)=0边界条件边界条件耗尽层宽度和表面势的关系耗尽层宽度和表面势的关系最大耗尽层宽度最大耗尽层宽度栅电压关系栅电压关系目标：建立栅电压VG与半导体的表面势s二者的定量关系n外加栅电压VG，部分降落在半导体中，部分降落在SiO2层中nVG=semi+oxnsemi=(0)-(w)=s-0=snVG=s+ox 转化为确定ox与s的关系目标：确定SiO2中的电势差ox理想SiO2中：=0泊松方程：x0为SiO2的厚度目标：利用边界条件把SiO2中的电场和半导体中的电场联系起来根据理
10、想假设，在O-S界面处无电荷，QO-S=0soOSSGxKKV2102100200)2()2(2ssASASSASSASsAsKqNqNKKqNWKqNWKqNssAoOSSGKqNxKKV02图16.10栅电压与半导体表面势的关系结论结论：积累和反型时，s的很小变化需要较大的栅压变化。耗尽时，s随 VG变化很快。反型积累耗尽16.4 电容-电压特性nMOS中无直流电流流过，所以MOS电容中最重要的特性就是C-V特性，把理想C-V特性曲线和实测C-V曲线比较，可以判断实际MOS电容与理想情况的偏差。而且在MOS器件制备中，MOS电容的C-V特性检测也常作为一种常规的工艺检测手段。n本节的目标讨
11、论低频、高频条件下MOS电容的C-V特性（a)Keithley高、低频测量系统(b)n型MOS电容高、低频C-V特性实例C积累平带耗尽反型转折点积累；直流O-S界面积累多子，多子在10-10-10-13秒的时间内达到平衡。加交变信号，积累电荷的改变量Q，只在界面附近变化，因此MOS电容相当于平板电容器00)(xAKCaccCGOOAG是MOS电容的栅面积以nMOS为例分析n耗尽：栅上有-Q电荷，半导体中有+Q的受主杂质ND+，ND+的出现是由于多子被排斥，因此器件工作与多子有关，仍能在10-10-10-13秒内达到平衡，交流信号作用下，耗尽层宽度在直流值附近呈准静态涨落，所以MOS电容看作两个
12、平板电容器的串联。00 xAKCGoO (氧化层电容)WAKCGoSS（半导体电容）01)(xKWKCCCCCdepCSOOoSso在耗尽区在耗尽区W随随VG的增大而增大，所以的增大而增大，所以C随随VG的增大而减小的增大而减小VG从从0VT，W从从0 WT，Cdep从从CO CTn反型 直流偏置使W=WT，O-S界面堆积很多少子，少子的产生过程很慢。在交流信号作用下 平衡栅电荷的变化少子电荷的变化，耗尽层宽度的变化，究竟哪一种电荷起主要作用呢？低频0，少子的产生和消除跟得上交流信号的变化，此时如同在积累情况 00)xAKCinvCGOO（0）高频：少子的变化跟不上交流信号的变化，此时少子的数
13、目固定在直流时的值，主要依靠耗尽层宽度的变化来平衡栅电荷的变化，类似于耗尽偏置01)(xKWKCCCCCinvCSTOOSSsoOC01xKWKCSOOCOC001xKWKCSTOO11VVxKKWGoOS 积累 耗尽）反型（其中 =反型（AOOoSNKxKqV222VVCCGO1（2、计算和测试n耗尽近似特性是一个对实际情况的一阶近似，但在积累与耗尽，耗尽与反型的过渡区，不能用耗尽近似，需对电荷的分布进行精确的分析图16.13 用耗尽近似理论得到的高-低频C-V特性(X0=0.1m,ND=1015/cm3,T=300k)图16.14 掺杂浓度对MOS电容高频特性的影响n型P型由精确电荷理论计
14、算由精确电荷理论计算得到的得到的C-V特性，其特性，其中中 xo=0.1 m,T=300k随掺杂浓度的提高，高频反型随掺杂浓度的提高，高频反型电容增大，耗尽偏置区将大大电容增大，耗尽偏置区将大大展宽。因为掺杂浓度提高，半展宽。因为掺杂浓度提高，半导体的导体的 F增加，要使增加，要使 s=2 F,需需要更大的要更大的VT。反型时电容随掺杂浓度增加而反型时电容随掺杂浓度增加而增大，因增大，因WT随随ND的增加而减小。的增加而减小。ssAoOSSGKqNxKKV02图16.15 氧化层厚度对MOS电容高频特性的影响n型P型由精确电荷理论计算由精确电荷理论计算得到的得到的C-V特性，其特性，其中中 N
15、A（ND）=1015/cm-3,T=300k氧化层厚度增加，高频氧化层厚度增加，高频反型电容增加，耗尽偏反型电容增加，耗尽偏置区增加，因为氧化层置区增加，因为氧化层厚度增加，在氧化层的厚度增加，在氧化层的电压降增加，要使半导电压降增加，要使半导体的体的 s=2 F,需要更大的需要更大的VT随温度升高，高频反型电容略有增加，耗尽偏置电容基本随温度升高，高频反型电容略有增加，耗尽偏置电容基本不随温度变化，不随温度变化，VT也基本不随温度变化。也基本不随温度变化。由精确电荷理由精确电荷理论计算得到的论计算得到的C-V特性，特性，ND=1014/cm-3,x0=0.1 m01xKWKCSTOOC=原因
16、原因3实际测量结果实际测量结果标准而且几乎是通用的测量频率为1MHz。一般测试得到的都是高频特性，即使测量频率为100Hz,甚至是10Hz，也会得到高频特性。要得到MOS电容的低频特性，必须采用“准静态技术”。不同扫描速率（R）下测量得到的C-V特性，在反型时，停止扫描使得器件平衡；或者缓慢地将器件从反型反扫到积累来准确记录高频反型电容。深耗尽nMOS处于积累和耗尽偏置时，是多子在工作，响应速处于积累和耗尽偏置时，是多子在工作，响应速度快。度快。nMOS处于反型偏置时，需大量少子来平衡栅电荷的变处于反型偏置时，需大量少子来平衡栅电荷的变化。在栅电压进入反型偏置之前，化。在栅电压进入反型偏置之前
17、，MOS结构中没有少结构中没有少子，少子必须在半导体表面附近产生，这种产生过程子，少子必须在半导体表面附近产生，这种产生过程是相当慢的，而且产生的少子不够平衡栅电荷，此时是相当慢的，而且产生的少子不够平衡栅电荷，此时耗尽区宽度变得比耗尽区宽度变得比WT大，来补偿缺少的少数载流子。大，来补偿缺少的少数载流子。深耗尽：MOS处于反型偏置时，非平衡的半导体表面缺少少数载流子，耗尽区宽度大于平衡值WT，这种情况称为深耗尽。完全深耗尽：MOS处于反型偏置时，非平衡的半导体表面完全缺乏少数载流子的一种极端深耗尽情况，即完全深耗尽。（a）深耗尽（b）完全深耗尽作业16.7(a)(b)(c)半导体处于平衡态，因费米能级处于一条直线（d)(e)n=ni 因为在界面处EF=Ei（h)(j)耗尽状态 01)(xKWKCCCCCdepCSOOoSso45.011000 xKWKCCs作业16.10讲作业16.14作业16.14作业16.14n课堂讲解16-12,n本章作业16-1，4，8，9,13,15
