微電子器件基礎(chǔ)- 課件 第2章 半導(dǎo)體器件中的結(jié)與電容

第二章

半導(dǎo)體器件中的結(jié)與電容2.1PN結(jié)p區(qū)與n區(qū)的交界面稱為冶金結(jié)PN結(jié)組成示意圖平面示意圖PN結(jié)的結(jié)構(gòu)組成半導(dǎo)體材料一個(gè)區(qū)域?yàn)榭昭〒诫s的p型，相鄰區(qū)域?yàn)殡娮訐诫s的n型，形成PN結(jié)2.1PN結(jié)平面工藝與緩變結(jié)為了方便分析，采用剖面圖并旋轉(zhuǎn)90度，采用一維方式顯示雜質(zhì)分布平面工藝中的“選擇性摻雜”：原始材料氧化光刻摻雜2.1PN結(jié)擴(kuò)散電流空穴擴(kuò)散流→←電子擴(kuò)散流-Q+QE電子漂移流→←空穴漂移流P區(qū)和N區(qū)接觸存在濃度差→擴(kuò)散（復(fù)合）→出現(xiàn)空間電荷區(qū)→形成自建電場(chǎng)→漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)抵消→達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡載流子濃度半對(duì)數(shù)坐標(biāo)載流子濃度線性坐標(biāo)平衡PN結(jié)載流子濃度分布2.1PN結(jié)平衡PN結(jié)能帶結(jié)構(gòu)費(fèi)米能級(jí)是電子填充能級(jí)水平的標(biāo)志，當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成PN結(jié)時(shí)，電子將從費(fèi)米能級(jí)高的N區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)低的P區(qū)，空穴則從P區(qū)流向N區(qū)，直到費(fèi)米能級(jí)處處相等，PN結(jié)處于平衡狀態(tài)。2.1PN結(jié)平衡PN結(jié)電位分布耗盡區(qū)電場(chǎng)的形成由正電荷和負(fù)電荷相互分離所致，對(duì)于突變結(jié)，空間電荷為均勻分布，電場(chǎng)分布為線性分布2.1PN結(jié)耗盡層1.耗盡層（1）耗盡層的含義：冶金結(jié)附近局部區(qū)域，載流子濃度遠(yuǎn)小于離化雜質(zhì)濃度，就對(duì)空間電荷貢獻(xiàn)而言，可以忽略載流子的作用，稱為載流子“耗盡”。-Q+Q載流子“耗盡”的區(qū)與稱為耗盡層2.1PN結(jié)耗盡層1.耗盡層（2）耗盡層近似：（a）耗盡層有確定的邊界，分別記為-xp和xn（取冶金結(jié)處為坐標(biāo)原點(diǎn)x=0）-Q+Q則耗盡層寬度W0=(xn+xp)（b）耗盡層范圍內(nèi)，n=p=0，耗盡層范圍外，載流子維持原來濃度不變。2.1PN結(jié)空間電荷區(qū)-突變結(jié)（1）突變結(jié)空間電荷密度分布為：-Q+Q電中性條件：qNaxp=qNdxn2.1PN結(jié)空間電荷區(qū)-單邊突變結(jié)（2）單邊突變結(jié)若Nd>>Na

，則xn<<xp-Q+Q若突變結(jié)一側(cè)摻雜濃度遠(yuǎn)大于另一側(cè)，則稱為單邊突變結(jié)W0=(xn+xp)≈xp，耗盡層寬度主要在輕摻雜一側(cè)電中性條件：qNaxp=qNdxn2.1PN結(jié)空間電荷區(qū)-內(nèi)建電勢(shì)與勢(shì)壘區(qū)（1）內(nèi)建電場(chǎng)：空間電荷區(qū)離化雜質(zhì)電荷形成從n區(qū)指向p區(qū)的電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)。-Q+Q（2）內(nèi)建電勢(shì)：與自建電場(chǎng)對(duì)應(yīng)由n區(qū)高于p區(qū)的電位分布n區(qū)與p區(qū)的電位差稱為內(nèi)建電勢(shì)，記為Vbi2.1PN結(jié)空間電荷區(qū)-內(nèi)建電勢(shì)與勢(shì)壘區(qū)（3）勢(shì)壘區(qū)：電勢(shì)的存在，對(duì)多子向?qū)Ψ揭苿?dòng)形成“勢(shì)壘”-Q+Q結(jié)論：平衡pn結(jié)的冶金結(jié)附近形成耗盡層，又稱為空間電荷區(qū)，或者叫勢(shì)壘區(qū)pn結(jié)的各種特性，如單向?qū)щ娦浴⒔涣魈匦?、擊穿電壓等均與這一區(qū)域密切相關(guān)。E2.1PN結(jié)正偏情況，Va>0，則W<W0

，耗盡層變窄。反偏情況，耗盡層變寬。隨著反偏電壓絕對(duì)值增加，W近似與反偏電壓絕對(duì)值的開方成正比。平衡PN結(jié)耗盡層寬度2.1PN結(jié)PN結(jié)少子連續(xù)性方程及邊界條件直流情況下，近似的少子連續(xù)性方程：少子空穴的凈產(chǎn)生率：少子只考慮擴(kuò)散電流：或者擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散系數(shù)結(jié)合少子邊界條件：勢(shì)壘邊界處載流子濃度：P區(qū)與勢(shì)壘區(qū)邊界N區(qū)與勢(shì)壘區(qū)邊界p區(qū)和n區(qū)端點(diǎn)處少子濃度:長(zhǎng)二極管近似：在n區(qū)端點(diǎn)處，不存在非平衡少子空穴，該處空穴保持為平衡濃度pn0；在p區(qū)端點(diǎn)處，不存在非平衡少子電子，該處電子保持為平衡濃度np02.1PN結(jié)I-V特性求解N區(qū)P區(qū)N區(qū)少子空穴分布：求解常微分方程代入擴(kuò)散電流公式N區(qū)少子空穴擴(kuò)散電流密度：P區(qū)少子電子擴(kuò)散電流密度：同理可得空穴和電子擴(kuò)散電流之和即為總電流2.1PN結(jié)PN結(jié)單向?qū)щ娦?.2異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)的組成

兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體接觸以后，由于費(fèi)米能級(jí)不同而產(chǎn)生電荷的轉(zhuǎn)移，直到將費(fèi)米能級(jí)拉平。電子和空穴的轉(zhuǎn)移形成空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場(chǎng)的作用使能帶發(fā)生彎曲；因禁帶寬度不同，而產(chǎn)生了尖峰。未組成異質(zhì)結(jié)前半導(dǎo)體能帶圖理想pN突變異質(zhì)結(jié)的能帶圖2.2異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)分類

反型異質(zhì)結(jié)導(dǎo)電類型相反的兩種不同半導(dǎo)體單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)，如p型Ge與n型GaAs所形成的反型異質(zhì)結(jié)。同型異質(zhì)結(jié)導(dǎo)電類型相同的兩種不同半導(dǎo)體單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)，如n型Ge與n型GaAs所形成的反型異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)的其它分類方法：突變異質(zhì)結(jié)從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過渡只發(fā)生于幾個(gè)原子距離（）。緩變異質(zhì)結(jié)過渡發(fā)生于幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)。2.2異質(zhì)結(jié)二維電子氣如果三維固體中電子在某一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)受到阻擋，被局限于一個(gè)很小的范圍內(nèi),那么,電子就只能在另外兩個(gè)方向上自由運(yùn)動(dòng),這種具有兩個(gè)自由度的電子就稱為二維電子氣（2-DEG）。當(dāng)勢(shì)阱較深時(shí)，電子基本上被限制在勢(shì)阱寬度所決定的薄層內(nèi)，即形成了（2-DEG）。特點(diǎn)：電子（或空穴）在平行于界面的平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，而在垂直于界面的方向受到限制。2.2異質(zhì)結(jié)典型二維電子氣在MOS結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體表面反型層中的電子可看成是典型的二維電子氣。反型層中的電子在垂直于層面方向被限制在一個(gè)小于100?的尺度內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而在平行于層面方向可以自由地運(yùn)動(dòng)。反型層中的2-DEG結(jié)構(gòu)2.3金屬-半導(dǎo)體結(jié)整流接觸設(shè)有一金屬和一N型半導(dǎo)體，它們未接觸前，能帶圖如圖(a)所示，并假設(shè)有qφm>qφx。當(dāng)它們緊密接觸以后，所形成的能帶圖如圖(b)所示，并產(chǎn)生一勢(shì)壘，稱其為肖特基勢(shì)壘。2.3金屬-半導(dǎo)體結(jié)歐姆接觸與整流接觸不同，歐姆接觸的半導(dǎo)體表面沒有形成耗盡層，而形成的是多子的積累層。歐姆接觸中的半導(dǎo)體應(yīng)該是重?fù)诫s的，這樣即使半導(dǎo)體表面形成了耗盡層，其寬度也是很小的，使載流子能夠容易地通過隧穿通過金屬-半導(dǎo)體結(jié)。2.4pn結(jié)電容擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容的定性分析（以正偏為例）N區(qū)中正負(fù)電荷隨結(jié)偏壓變化t=0：在直流偏置V0作用下，n區(qū)出現(xiàn)過剩少子空穴δpn(x)，對(duì)應(yīng)n區(qū)出現(xiàn)正電荷+△Q0t=t1

：正偏電壓Va↑導(dǎo)致pn(x=0)↑，n

區(qū)少子空穴分布隨之發(fā)生變化導(dǎo)致n

區(qū)少子空穴正電荷增加t=t2

：正偏電壓Va↓導(dǎo)致pn(x=0)↓n

區(qū)少子空穴分布隨之發(fā)生變化2.4pn結(jié)電容勢(shì)壘電容2.4pn結(jié)電容交流小信號(hào)數(shù)學(xué)模型交流小信號(hào)少子連續(xù)性方程：交流小信號(hào)勢(shì)壘處邊界條件：交流小信號(hào)PN結(jié)端點(diǎn)處邊界條件：以N區(qū)少子電子為例求解常微分方程交流小信號(hào)少子分布：2.4pn結(jié)電容流過PN結(jié)交流分量：PN結(jié)等效交流導(dǎo)納：微分電導(dǎo)，或稱為擴(kuò)散電導(dǎo)稱為微分電容PN結(jié)等效交流導(dǎo)納2.5MOS電容理想MOS電容結(jié)構(gòu)絕緣層是理想的，不存在任何電荷，

絕對(duì)不導(dǎo)電；2.半導(dǎo)體足夠厚（幾百um），不管加什么柵電壓，在到達(dá)接觸點(diǎn)之前總有一個(gè)零電場(chǎng)區(qū)（硅體區(qū)）3.絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在界面陷阱電荷；4.金屬與半導(dǎo)體之間不存在功函數(shù)差。2.5MOS電容MOS電容-累積態(tài)

負(fù)柵壓——

多子積累狀態(tài)

積累層相當(dāng)于柵氧化層電容(COX)的下極板

金屬一側(cè)積累負(fù)電荷，半導(dǎo)體一側(cè)感應(yīng)等量正電荷（多子空穴）

外柵壓產(chǎn)生從半導(dǎo)體指向金屬的電場(chǎng)E

E作用下，體內(nèi)多子順E方向被吸引到S表面積累，形成空穴積累層

能帶變化能帶上彎，空穴在表面堆積，濃度大負(fù)柵壓2.5MOS電容MOS電容-平帶狀態(tài)零柵壓—平帶狀態(tài)理想MOS電容：絕緣層是理想的，不存在任何電荷；Si和SiO2界面處不存在界面陷阱電荷；金半功函數(shù)差為0。系統(tǒng)熱平衡態(tài)，能帶平，表面凈電荷為02.5MOS電容MOS電容-耗盡狀態(tài)金屬極板積累正電荷，

S表面感應(yīng)出等量負(fù)電荷（受主離子Na-

）

電場(chǎng)作用下，表面多子被耗盡，留下帶負(fù)電的受主離子Na-

，不可動(dòng)，

受半導(dǎo)體濃度Na

的限制，形

成一定厚度的負(fù)空間電荷區(qū)xd（1um左右）

能帶變化：

P襯表面正空穴耗盡，濃度下降，

能帶下彎

xd

：空間電荷區(qū)（耗盡層、勢(shì)壘區(qū)）的寬度小的正柵壓

小的正柵壓——

多子耗盡狀態(tài)2.5MOS電容MOS電容-耗盡狀態(tài)

正柵壓↑

,

增大的電場(chǎng)使更多的多子耗盡，

xd

↑,能帶下彎增加

EFi

EF

EFi=

EF

，半導(dǎo)體表面處于本征態(tài)2.5MOS電容MOS電容-耗盡狀態(tài)正VG

↑,能帶下彎程度↑,表面

EFi

到

EF下，表面導(dǎo)電類型由p變n型

柵壓增加，更多的多子被耗盡，P襯表面Na-增多，耗盡層展寬直至xdT

P襯體內(nèi)熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生可動(dòng)電子，被大的E吸引到表面，表面少子電子積累

少子電子特點(diǎn)：可導(dǎo)電，形成反型層(幾個(gè)nm)

，可作為MOSFET溝道

柵壓↑,反型層電荷數(shù)增加，反型層電導(dǎo)受柵壓（電場(chǎng)）調(diào)制大的正柵壓情形

注：

MOSFET溝道反型層電荷來源非襯底少子，而是源漏區(qū)多子

大的正柵壓——反型狀態(tài)XdT2.5MOS電容P襯底MOS電容表面電子狀態(tài)累積狀態(tài)耗盡狀態(tài)本征狀態(tài)反型狀態(tài)2.5MOS電容MOS電容表面電子狀態(tài)理想P襯MOS電容，

P襯表面隨柵壓變化的規(guī)律：理想n襯MOS電容，

n襯表面隨柵壓變化的規(guī)律：n型(反型層+耗盡層)2.5MOS電容電容定義

dQ`m/dVox=COX,表征金屬為上極板，氧化層為介質(zhì)層的平板電容>

柵氧化層電容，

單位面積電容Cox

=

εox/tox

,定值

-dQ`s/dΦs

=C`s,表征半導(dǎo)體電容，>

負(fù)號(hào)表示Φs與Qs極性相反，>半導(dǎo)體表面狀態(tài)不同，電荷Q`s

隨Φs

的變化率不同，

C`s

為可變電容D

MOS電容C`=Cox與Cs`的串聯(lián)

器件電容定義:小信號(hào)