半導(dǎo)體器件物理2008-第4章

1、MOS 電容七、表面勢(shì)和柵壓的關(guān)系由前面講的四個(gè)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(dǎo)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(dǎo)電溝道，是影響電，所以表面反型狀態(tài)對(duì)MOS器件至流導(dǎo)通的主要關(guān)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(gè)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(shì)全部降落在耗盡層上。（1）反型層電荷反型時(shí)s F，而F t , (設(shè)想一個(gè)簡(jiǎn)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(qiáng)反型層電荷半導(dǎo)體表面的電子濃度等于體內(nèi)多子空穴濃度時(shí)開(kāi)始強(qiáng)反型。s 2F則表面層電荷（A N 2t） 2q

3、（NA2）FsF此時(shí)柵壓VGB為：QsVGBCox（ q）Cox2FV2sNA第三項(xiàng)的系數(shù)稱為襯偏系數(shù)GBV一般定義半導(dǎo)體表面出現(xiàn)強(qiáng)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(shuō)VG VTO ,VG ,ox ,s變化很小s 2F通常假定強(qiáng)反型時(shí)2 s這時(shí)，耗盡層厚度達(dá)到最大值(2W)maxFqNA相應(yīng)的耗盡層電荷為：2q s NA (2F )QB qN AWmax 因?yàn)閺?qiáng)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(dá)等效電路：式：測(cè)量方法：直流掃描電壓交流小信號(hào)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(shì)s間的關(guān)系，得到CS s利用Cg與Cs的關(guān)系得到C- s利用QS 、s與Vg的關(guān)系確定Vg- s對(duì)應(yīng)與一個(gè)確定的 s，在（C，Vg坐標(biāo)系中可以確定相應(yīng)的點(diǎn)CinvCaccCdepCV特性曲線 與頻率相關(guān) 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(guān)！原因：反型層電荷為少數(shù)載流子電荷由少子的產(chǎn)生時(shí)間決定 o 1s 少子 0.2sinv低頻 LF：1E5Hz Qinv的變化跟不上交流信號(hào)的變化交流信號(hào)積累和耗盡時(shí)為什么與頻率無(wú)關(guān)？此時(shí)MOS電容中的電荷為多子電荷 s多子的響應(yīng)時(shí)間為：介電弛豫時(shí)間10-12s s 低頻CVCs CoxCCoxQinv能跟上交流信號(hào)的變化 高頻CVQinv跟不上交流信號(hào)的變化反型層仍存在 深耗盡 直流掃描電壓變化快 10V/s無(wú)時(shí)間建立Qinv反型層不

6、存在與交流的頻率無(wú)關(guān)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(dòng)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(cè)量少子或產(chǎn)生時(shí)間MOSFET （一）MOSFET器件結(jié)構(gòu)MOSFET的結(jié)構(gòu)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(chǎng)區(qū)有源區(qū)以外的區(qū)域工作原理載流子運(yùn)動(dòng)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(shí)0）襯底極電流：IB（0）MOSFET的工作過(guò)程及IV特性IDSVGVtVt類型1、n溝和p溝按溝道載流子的類型來(lái)劃分nMOSFET：電子導(dǎo)電pMOSFET：空穴導(dǎo)電2、增強(qiáng)與耗盡VGS=0，VDS、VBS一定值時(shí)MOSFET導(dǎo)通，ID0，耗盡型MOSFET不導(dǎo)通，ID=0，增強(qiáng)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(dǎo)體一側(cè)剛達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)的柵源電壓。推導(dǎo)閾值電壓的基本假定：長(zhǎng)溝、寬溝器件（忽略邊緣效應(yīng)）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(qiáng)反型近似成立強(qiáng)反型近似可歸納為三個(gè)遠(yuǎn)大于和三個(gè)不變推導(dǎo)閾值電壓的基本假定三個(gè)遠(yuǎn)大于：半導(dǎo)體一側(cè)剛達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)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(gè)不變：剛達(dá)到強(qiáng)反型后，再改變柵壓，導(dǎo)致溝道的導(dǎo)電載流子數(shù)目增加。假定在這個(gè)過(guò)程中有三個(gè)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(qiáng)反型表面勢(shì)sinvVBS=0時(shí)的閾值電壓基本關(guān)系： VGB = OX+ 或VGB = OX+ S+MSS+SS 電荷守恒：QG+QBM+QOX+Qn = 0 QG = COX OX VBS=0時(shí)MOS達(dá)到強(qiáng)反型的條件：Vsinv= 2 F利用上述關(guān)系式，推導(dǎo)出VBS=0 時(shí)的閾值電QBM壓：VTVBS 0 VFB 2FCoxVBS=0時(shí)的閾值電壓對(duì)閾值電壓的分析（Al柵和n+多晶硅柵nMOSFET可以是增強(qiáng)或耗盡型的Al柵和n+多晶硅柵pMOSFET只能是增強(qiáng)型的。）VFB-QBM/COX2FnMOSFET-+pMOSFET-VBS=0時(shí)的閾值電壓如何控制和調(diào)整閾值電壓的

10、大??？COX ：調(diào)整tOX（與工藝水平關(guān)系密切）增大tOX ，MOSFET向增強(qiáng)的方向變襯底勢(shì)F ：調(diào)整襯底摻雜濃度增大襯底摻雜濃度，MOSFET向增強(qiáng)的方向變平帶電VFB柵氧化層電荷面密度QOX導(dǎo)致了閾值電壓的不穩(wěn)定，應(yīng)盡力減小。包括四個(gè)部分：固定電荷Qf ，可動(dòng)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(shí)的閾值電壓關(guān)于場(chǎng)開(kāi)啟電壓的： 調(diào)整場(chǎng)開(kāi)啟的工藝：提高場(chǎng)區(qū)氧化層厚度；場(chǎng)區(qū)注入與襯底相同類型的雜質(zhì)。增大場(chǎng)區(qū)閾值電壓（場(chǎng)開(kāi)啟電壓），防止場(chǎng)區(qū)誤導(dǎo)通一般為保險(xiǎn)起見(jiàn)，讓場(chǎng)開(kāi)啟電壓為工作電壓的2倍。VBS0時(shí)的閾值電壓考慮nMOSFET， VBS0,VGS 0， VDS=0，VBS=VBD定義場(chǎng)感應(yīng)結(jié)：表面反型層與襯底半導(dǎo)體之間形成的pn結(jié)襯偏電壓VBS相當(dāng)于加在場(chǎng)感應(yīng)結(jié)上，電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)密能級(jí)分開(kāi)EFn qVBSEFpVBS0時(shí)的閾值電壓sin v VBS 2FVBS強(qiáng)反型表面勢(shì)：閾值電壓公式推導(dǎo)：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：