半导体器件之MOS

P型衬底
栅电压=阈值电压 表面空间电荷区 厚度达到最大值
12
MOS电容 空间电荷区厚度:n型衬底情形
阈值反型点条件： 表面势=费米势的2倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，栅电压=阈值电压
表面势
表面空间电荷 区厚度
n型衬底
13
MOS电容 空间电荷区厚度:与掺杂浓度的关系
实际器件 参数区间
14
MOS电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系
零栅压下半导体的 表面势
接触之后能带图的变化：
1）MOS成为统一系统， 0栅压下热平衡状态有统一的EF。
2）SiO2的能带倾斜：
3）半导体一侧能带弯曲：
18
11.1 MOS电容
功函数差:计算公式
内建电势差：
功函数差
Vbi Vox0 S 0 ms
ms
m
' (
'
Eg 2e
加负栅压，堆积层电荷能够跟得上栅 压的变化，相当于栅介质平板电容
C' (acc)

Cox

ox
tox
平带
本征
36
11.2 C-V特性
平带状态
所加负栅压正好等于平带电压VFB，使 半导体表面能带无弯曲
C'FB

tox

ox ox kT
tox e
s
eN a
平带 本征
37
11.2 C-V特性
表面势 s 半导体表面电势与 体内电势之差
费米势
半导体体内费米能 级与禁带中心能级 之差的电势表示
P型衬底
表面空间电 荷区厚度
采用单边突变结的 耗尽层近似
耗尽层形成：正栅压，P衬表面多子空穴耗尽，留下固定不动的Na-，由半导体浓度
的限制，分布在S表面一定厚度内，负的空间电荷区
11
MOS电容 空间电荷区厚度:表面反型情形
阈值反型点条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度
表面电子浓度：
n

ni
exp(
EF
EFi kT
)

ni
exp(
es
e
kT
fp
)
体内空穴浓度：
n型反型层和p型衬底之间 的结近似为n＋p单边突变结
p

ni
exp(
EFi kT
EF
)

ni
exp(
e fp
kT
)
s 2 fp
表面空间电荷 区厚度
金属上的电荷密度 单位面积电荷数
23
11.1 MOS电容
平带电压:定义
24
11.1 MOS电容
平带电压:公式
零栅压时： Vox0+s0=- ms
金属上的电荷密度 单位面积电荷数
栅电压VG Vox s
(Vox Vox0 ) (s s0 ) Vox s ms
8
MOS电容
表面能带图:n型衬底(1)
正栅压情形
EFS Ec
9
EFS EC
MOS电容
小的负栅压情形
n型
(耗尽层)
大的负栅压情形
表面能带图:n型衬底(2)
EFS Ec
EFS EFi
n型
(反型层+耗尽层)
EFS Ec
EFS EFi 10
MOS电容 空间电荷区厚度:表面耗尽情形
C' (inv)

C' (dep)min

tox
ox ox
tox
xdT
f 5 ~ 100Hz
f ~ 1MHz
栅压频率的影响
41
小节内容
• 理想情况CV特性
– CV特性概念 – 堆积平带耗尽反型下的概念 – 堆积平带耗尽反型下的计算
C' (inv)

Cox

ox
tox
平带
本征
39
11.2 C-V特性
n型与p型的比较
p型衬底MOS结构
n型衬底MOS结构
40
11.2 C-V特性
反型状态(高频)
加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅压 变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化，只 有耗尽层电容对C有贡献。此时，耗尽层宽度 乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。
29
11.1 MOS电容
阈值电压:n型衬底情形
VTP

| Q'SD max |－Q' ss
Cox
Cox
ms
2 fn


|
Q'SD m Cox
a
x
|

VFB
2 fn

0
30
11.1 MOS电容
n型衬底与p型衬底的比较
p型衬底MOS结构
费米势
表面耗尽层最大厚度
单位面积表面耗尽层电荷 | QSD 'max | eNa xdT
fp )
(Vox0 S0 )
பைடு நூலகம்
功函数差使二者能带发生弯曲， 弯曲量之和是金属半导体的功 函数差。
19
11.1 MOS电容 功函数差:n＋掺杂多晶硅栅(P-Si)
简并：degenerate 退化，衰退
n+掺杂至简并
近似相等
<0
20
11.1 MOS电容 功函数差:p＋掺杂多晶硅栅(P-Si)
VT
QOX QBM C ox
2VF
Vms
11.1 MOS电容 阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系
P型衬底MOS结构
Q‘ss越大，则VTN的绝对值 越大； Na越高，则VTN的值（带 符号）越大
VTN VG |s 2 fp
VTN=0时，即不加电压, s 2fp 已经成立
p型Si衬底VGS 时 半导体表面状态的变化
堆积 平带 耗尽 弱反型 强反型
33
11.2节内容
• 理想情况CV特性 • 频率特性 • 氧化层电荷及界面态的影响 • 实例
34
11.2 C-V特性什么是C-V特性？
C dQ f (V ) dV
电容-电压特性
平带
35
11.2 C-V特性
堆积状态
(3)氧化层电荷密度QOX的影响。它包括固定电荷（Qf --fixed oxide charge ）、界面陷阱 电荷（Qit --Interface trapped charge ）、可动电荷（Qm --Mobile ionic charge ）及氧化层 陷阱电荷（Qot -- oxide trap charge ）。在一般工艺条件下Qox可达1011~1012cm-3，在高 Qox下，VT是负值，只能是耗尽型nMOS，要制得增强型nMOS(VT>0)是困难的。
栅电压VG Vox s ms
表面势=费米势的2倍
电中性条件Qm' Qss ' | Q 'sD |
栅氧化层电压Vox

Q 'm Cox

| Q 'sD Cox
| Q 'ss Cox
阈值电压
VTN
VG
| V s 2 fp
ox
|s 2 fp
2 fp
ms
单位面积栅氧化层电容 Cox ox / tox
平带电压 金属-半导体功函数差
VFB ms Q'ss / Cox
ms

m '('
Eg 2e
fp )
阈值电压
阈值电压典型值
n型衬底MOS结构
| QSD 'max | eNd xdT
Cox ox / tox
VFB ms Q'ss / Cox
15
16
11.1 MOS电容 功函数差:MOS接触前的能带图
功函数：起始能量等于EF的电子，由材料内部逸出体外到真空所需最小能量。
金属的 功函数
二氧化硅的电子亲和能 硅的电子亲和能
金属的功函数
Wm E0 EFm em
半导体的功函数
金属的费米能级 二氧化硅的 禁带宽度
绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，
7
MOS电容
大的正栅压情形
表面能带图:p型衬底(2)
(反型层+耗尽层)
EFS Ev
EFS EFi
大的正栅压：能带下弯程度↑，表面 Efi到EF下，表面具n型。 P衬表面Na-面电荷密度↑，同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面出现电子积 累，反型层形成。
注意：栅压↑反型层电荷数增加，反型层电导受栅压调制。 阈值反型后， xd↑最大值XdT不再扩展。
(2)衬底杂质浓度的影响。费米势随衬底杂质浓度的的增加而增加，但增加的速度很慢 ，例如从1015cm-3~1017cm-3，费米势变化只有0.1V，因此改变衬底杂质浓度，费米势 变化不大。表面耗尽层的空间电荷面密度QBM~NB1/2，改变衬底杂质浓度可改变阈值 电压的大小，在现代MOS中，以大量采用离子注入技术，调整沟道杂质浓度，以满足 阈值电压的大小。
ms 0
22
11.1 MOS电容
平带电压:定义
• MOS结构中半导体表面能带弯曲的动因 – 金属与半导体之间加有电压（栅压） – 半导体与金属之间存在功函数差 – 氧化层中存在净的空间电荷
• 平带电压 – 定义：使半导体表面能带无弯曲需施加 的栅电压 – 来源：金属与半导体之间的功函数差， 氧化层中的净空间电荷
金属-氧化物-半导体场效应晶 体管基础
1
双端ＭＯＳ结构 电容－电压特性 ＭＯＳＦＥＴ基本工作原理 频率限制特性 ＣＭＯＳ技术
双端MOS结构
• 能带图 • 耗尽层厚度 • 功函数差 • 平带电压 • 阈值电压 • 电荷分布
3
MOS
MOS结构
氧化层介电常数
Al或高掺杂的 多晶Si
SiO2
氧化层厚度
n型Si或p型Si
MOS结构具有Q随V变化的电容效应，形成MOS电容
4
实际的铝线-氧化层-半导体 （M:约10000A O:250A S:约0.5~1mm）
5
MOS电容
表面能带图:p型衬底(1)
负栅压：多子的积累，体内多子 顺电场方向被吸引到S表面，
能带变化：空穴在表面堆积，能 带上弯
EFS Ev
EFS Ev
负栅压情形
导带底能级 禁带中心能级
费米能级
价带顶能级
6
MOS电容
小的正栅压情形
表面能带图:p型衬底(2)
(耗尽层)
EFS Ev
EFS EFi
小的正栅压：多子耗尽，表面留下带负电的受主离子，不可动，且由半导体浓度的 限制，形成负的空间电荷区。 能带变化： P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯，
dvdq电容电压特性35112cv特性堆积状态加负栅压堆积层电荷能够跟得上栅压的变化相当于栅介质平板电容oxoxox36112cv特性平带状态所加负栅压正好等于平带电压vfboxoxoxoxfben37112cv特性耗尽状态加小的正栅压表面耗尽层电荷随栅压的变化而变化出现耗尽层电容c相当与cox与csd串联c相当与cox与csd串联38112cv特性强反型状态低频加大的正栅压且栅压变化较慢反型层电荷跟得上栅压的变化oxoxox39112cv特性p型衬底mos结构n型衬底mos结构40112cv特性反型状态高频dtoxoxoxox加较大的正栅压使反型层电荷出现但栅压变化较快反型层电荷跟不上栅压的变化只有耗尽层电容对c有贡献
Ws

E0
EFs
e

Eg 2
e fp
金属与半导体的功函数差
（电势表示）
ms

Wm
Ws e

m

(

Eg 2e
fp )
11.1 MOS电容
零栅压下氧化物 二侧的电势差
修正的金属功 函数
功函数差:MOS结构的能带图
二氧化硅的电子亲和能
条件：零栅压， 热平衡
修正的硅的电子 亲和能

|
Q'SDmax |－ Q'ss
Cox
Cox
＋2 fp
ms

|
Q'SD m a x Cox
|

VFB＋2
fp
|QSDmax|=e Na xdT
f (半导体掺杂浓度, 氧化层电荷,平带电压,栅氧化层电容）26
影响阈值电压的主要因素：
(1)栅电容Cox。Cox=ε0εox/tox，Cox越大，VT的绝对值越小。增大栅电容的关键是制作薄 而且致密的优质栅氧化层，也可选用介电常数更大的材料，如Si3N4，用SiO2/Si3N4的 FET称MNOSFET，用Al2O3/SiO2的FET称为MAOSFET。
p+掺杂至简并
≥0
21
11.1 MOS电容
功函数差:与掺杂浓度的关系
同样栅电极材料下的ms
n型衬底 p型衬底
同样衬底材料下的 | ms |
n型Si： ppoly Au npoly Al p型Si： npoly Al ppoly Au
对多数应用（npoly,Al)
ms

m '( '
Eg 2e
fn
)
31
11.1 MOS电容 表面反型层电子密度与表面势的关系
实例：Na 3 1016 cm3 T 300K
fp 0.347V s反型 2 fp 0.695V
ns 11016 cm3
32
11.1 MOS电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系
Na很小时，VTN随Na的变化 缓慢，且随Q’ss的增加而线 性增加
Na很大时， VTN 随Na 的 变化剧烈，且与Q’ss 的相 关性变弱
28
11.1 MOS电容
P型衬底MOS结构
阈值电压:导通类型
VTN>0 MOSFET为增强型 VG=0时未反型，加 有正栅压时才反型
VTN<0 MOSFET为耗尽型 VG=0时已反型，加 有负栅压后才能脱离 反型
电中性条件Qm' Qss ' 0
Vox

Q'm Cox

Q'ss Cox
平带电压
VFB VG |s 0

ms

Q'ss Cox
若ms 0，则VFB 0
（Q'ss 恒 0) 25
11.1 MOS电容阈值电压:公式
阈值电压： 达到阈值反型点时所需的栅压
ns
QSD
刚强反型时,Qns«QSD,忽略反型层电荷
耗尽状态
C’相当与Cox与Csd’串联
加小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅压 的变化而变化，出现耗尽层电容
平带
VG xd C' (dep)
C '(dep)min
tox
ox ox tox
xdT
本征
38
11.2 C-V特性
强反型状态(低频)
加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层 电荷跟得上栅压的变化