2-MOS二极管-2

约 1011 cm2 。
2、氧化物固定电荷（fixed oxide charge） Qf
位于 Si SiO2 界面约3nm的范围内，这些电荷是固定 的，正的。
（100）面， Qf 约为 1010 cm2 ，
（111）面， Qf Qot约为 5 1010 cm2
，因为
（100）面的 Qit 和 Qf 较低，故硅MOSFET一般采用
3
qm'
qs'
Ec
Ev
平带时的能带图
由于功函数的不同，在没 有外加偏压的时候，在半导体 表面就存在表面势 。因此， 欲使能带平直，即除去功函数 差所带来的q影m' 响， 就S 必须在金 属电极上加电压。这个电压一 部分用来拉平二氧化硅的能带， 一部分用来拉平半导体的能带，
使s ＝0。因此称VFB其为平
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习题
1. 设 M S ，画出n-Si衬底的MOS电容分别在平衡、平带、
积累、耗尽、反型情形的能带图及理想的高频和低频CV曲
线，并画出相应的电荷分布及电场分布。
2. 设氧化层厚度为1m的Si MOS结构的p型衬底的掺杂浓度 分别为N＝1015/cm3和1016/cm3，比较这两种结构的耗尽层 电容和MOS电容的极小值。
VTN

VFB＋
QB COX
Si

0.81
3.89109 6.9 108
2 0.228 0.341
结论：半导体衬底的掺杂比较低，在零栅压条件下，
氧化层中的正电荷及功函数差已经使半导体表面处
于反型，所以阈值电压是负值。
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例题：P型衬底，Na＝1014cm-3，氧化层厚度 500Å ，φ ms=-0.83V。求阈值电压VT，画出能带 图,氧化层上压降是多少？
（100）晶面。
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3、氧化物陷阱电荷（oxide trapped charge）
大都可以通过低温退火消除。
4、可动离子电荷（mobile ionic charge） Qm
诸如钠离子和其它碱金属离子，在高温和高压下工 作时，它们能在氧化层内移动。
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氧化物中电荷对C-V特性的影响
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克服硅－二氧化硅界面电荷和二氧化
硅中电荷影响所需要的平带电压：
VG 2
Q0
0 k0
x Q0 C0
x x0
如果氧化层中正电荷连续分布，电荷
M
SiO2
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
0 x+dx
体密度为 x ，则
dVG 2
1
C0
x x0 x dx来自总的平带电压 VG2
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例题
P型硅衬底MOS结构，衬底掺杂浓度为 Na=1014，氧化层厚度为tox=500Å ，栅是n+多晶 硅，设QSS=1010cm-2,确定平带电压及值阈电压？
解：
fp

0.026ln( 1014 1.5 1010
)

0.228eV
ms

-
Eg 2
- fp

-0.56 - 0.228
带电压。
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VFB ms m s 4
氧化物电荷及其对C-V特性的影响
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氧化物电荷
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1、界面陷阱电荷（interface trapped charge）Qit
硅（100）面，Qit 约 1010 cm2 ，
硅（111）面，Qit
0.788
Cox

ox
tox

3.9 8.854 1014 500108
6.9108 F
/ cm2
QSS 1010 1.6 1019 1.6 109 C / cm2
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VFB
ms
QSS Cox
1.6 109 0.788 6.9108
2. 如果该正的固定电荷形成在氧化层中部即1/2tox处，平带电 压如何变化？
3. 比较固定电荷分别位于界面和氧化层中部时的低频C-V特性 曲线；
4. 假设在氧化层与Si衬底界面存在呈U型连续分布的施主型界 面态（禁带中央界面态密度极大），示意画出其C-V特性曲 线（与不存在界面态比较）
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第三项是支撑出现强反型时的体电荷 所需要的外加电压； 第四项是开始出现强反型层时，半导体表面QB所需的表面势。
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实际MOS的C-V曲线（一）
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界面态对C-V特性的影响
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界面态的性质
界面态
受主态 施主态
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界面态的性质
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思考题
MOS结构的Si与氧化层界面存在连续分布的界 面态，假设在禁带中本征费米Ei能级以上的界 面态为类施主型，以下的是类受主型，讨论分 析界面态对CV特性曲线的影响（以理想情形 为标准画图说明）；如果在禁带中本征费米Ei 能级以上的界面态为受主类型，以下的是类施 主型，界面态对CV特性曲线的影响又如何 （以理想情形为标准画图说明）？
4. 栅电极为金属栅，但强反型区电容值略低于强积累区 电容；如何减弱该效应；
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思考题
假定nMOS电容结构的金属栅电极的功函数为M，半 导体Si的亲和势为，衬底掺杂浓度为Nd（功函数为 S），栅氧化层厚度为tox。在制备nMOS电容时氧化 层中形成密度为Qf的正的固定电荷。
1. 假设该正的固定电荷形成在氧化层与Si界面处，写出其平带 电压表达式，示意画出其平衡能带图；
VFB
VG1
VG2
ms

Q0 C0
VTH

VFB

QB C0
Si

ms

Q0 C0
QB C0
Si
第一项是，为消除半导体和金属的功函数差的影响，金属电 极相对于半导体所需要加的外加电压；
第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到 金属电极一侧所需要加的外加电压；
中性受主
中性受主 中性施主
正施主
中性受主
中性施主
负受主
中性施主
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界面态对C-V曲线的影响
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B-T实验：测量离子沾污程度
BC A
A：原始C-V曲线。
B：加10V正偏压，在127C，30min后测试结果
C：加10V正负偏压，在127C，30min后测试结果
3. 从物理上说明随氧化层厚度及掺杂浓度的变化趋势。计
算 N 1015 / cm3 to，x 10nm
MOS结构的值和德拜长度。
的N型Si
4. 在 MOS结构中，减薄氧化层厚度对C－V曲线有何影响？
如果改变衬底掺杂浓度，对C－V曲线有何影响？
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思考题
理想的低频C-V在强积累和强反型的电容 值等于栅氧化层电容Cox，但在某些实验中 观察到如下一些现象，分析其可能的物理 机制：
1. C-V曲线出现滞回现象；
2. C-V曲线在耗尽区的斜率变缓；
3. 栅电极为掺杂多晶硅时，反型层电容下降；如何减弱 和消除该效应；

1 C0
X0 x x dx Q0S
0 x0
C0
M
dQx 0
SiO2
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
x+dx
Si
x0
S
x0
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其中
Q0S

x0 x
0 x0
x dx
称为有效面电荷。
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实际的MOS阈值电压和C-V曲线
平带电压 阈值电压
实际MOS的平带电压及 C-V特性
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功函数差的影响
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2
qVox
qs
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m'
Vox

'

Eg 2q
fp
s
Vox
s
m'

( '

Eg 2


fp
)

VFB m' s' m s
0.811V
19
Wm
2 s (2B ) 2

s
kT
ln

NA ni
＝2.43m
qN A
qN A
QB ＝qNAWm 2q s N A (2B )
21.61019 3.98.8541014 1016 2 0.36
3.89109 C / cm2