场效应器件物理 MOS结构复习课程
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单位面积电容: C`= ox / d 外加电压V，电容器存储的电荷：Q= C，V氧化层两侧电场E= V / d
MOS结构：具有Q随V变化的电容效应， 形成MOS电容
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容 实际的铝线-氧化层-半导体
（M:约10000A O:250A S:约0.5~1mm）
xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度 正栅压↑，增大的电场使更多的多子耗尽， xd↑，能带下弯增加
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容
表面能带图:p型衬底(2)
大的正栅压情形
X dT
Hale Waihona Puke Baidu
大的正栅压——反型状态
EFS EFi
能带下弯程度↑，表面 EFi 到 EF下，表面具n型。 栅压增加，更多的多子被耗尽，P衬表面Na-增多，
空间电荷区厚度:表面耗尽情形
禁带中心能级
费米能级
P型衬底
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， fp，fn
f
1 q
[Ei
EF ]
表面势 ：半导体表面电势与体内电势之差， s
S 1q[Ei(表面 )E（ F 体内 ] ）
能级的高低代表了电子势能的不同，能级越高，电子势能越高
半导体掺杂类型不同、浓度不同，EF的相对位置不同
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容
负栅压情形
表面能带图:p型衬底(1)
禁带中心能级
导带底能级
EFSEV
负栅压——多子积累状态
费米能级
价带顶能级
金属一侧积累负电荷，半导体一侧感应等量正电荷
外栅压产生从半导体指向金属的电场
会画相应各状态能带图
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1.2 耗尽层厚度
本节内容
耗尽层厚度公式 耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因 半导体表面状态和表面势的关系 空间电荷层电荷与表面势的关系
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容
表面能带有弯曲，说明表面和体内比：电子势能不同，即电势不同，
采用单边突变结的耗尽层近似，耗尽层厚度：
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容
S d
N
表面电荷面电荷密度
d
一块材料，假如有均匀分布的电荷，浓度为N，表面积为S，厚度为d
材料总电荷：Q= eN Sd
表面S单位面积内的电荷（面电荷密度）：Q`=
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容
理想MOS 电容结构特点
绝缘层是理想的，不存在任何电荷，绝对不导电； 半导体足够厚，不管加什么栅电压，在到达接触点之前总有一个
零电场区（硅体区） 绝缘层与半导体界面处不存在界面陷阱电荷； 金属与半导体之间不存在功函数差。
态
的关系
Φs<0
多子积 Q`S∝exp(Φs/Vt) 累
Φs =0
平带
0< Φs <Φfp Φs =Φfp
Φfp<Φs<2Φfp 0<Φfn<Φfp Φs >＝2Φfp Φfp<Φfn
耗尽 本征 弱反型
强反型
Q`SD(Na-）∝Φs1/2 Q`SD(Na-） Q`SD ∝Φs1/2
Q`inv∝exp(Φs/Vt) Q`SD ∝Φs1/2
场效应器件物理 MOS结构
1.1 MOS电容
MOS电容结构
氧化层介电常数
Al或高掺杂的 多晶Si
SiO2
氧化层厚度
ox d
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
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容
平行板电容
平行板电容： 上下两金属极板，中间为绝缘材料
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容
表面能带图:p型衬底(2)
小的正栅压情形
(耗尽层)
小的正栅压——多子耗尽状态
EFSEFi
电场作用下，表面多子被耗尽，留下带负电的受主离子，不可动，
且由半导体浓度的限制，形 成一定厚度的负空间电荷区xd 能带变化： P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容
小的负栅压情形
表面能带图:n型衬底(2)
n型
(耗尽层)
EFSEFi
大的负栅压情形
n型
(反型层+耗尽层)
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
EFS EFi
1.1.1 能带图
需掌握内容
N型和P型半导体表面状态随外加栅压的物理 变化过程
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容
能带图
禁带中心能级
导带底能级
费米能级
价带顶能级
能带图：
描述静电偏置下MOS结构的内部状态，分价带、导带、禁带
晶体不同，能带结构不同，能带宽窄，禁带宽度大小不同
金属（价带、导带交叠：EF）、氧化物（Eg大）、半导体（ Eg 小）
eNd
MOS电容，耗尽层和反型层均在氧化层下方产生，
表面积即栅氧化层面积
耗尽层电荷面电荷密度：Q`SD= eNa Xd 反型层电荷面电荷密度： Q`inv = ens Xn
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系
Φs 大小
S表面状 S表面电荷QS随Φs
Q`inv∝exp(Φs/Vt)
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系
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
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。
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容
正栅压情形
表面能带图:n型衬底(1)
零栅压情形
EFSEC
2020/6/15
电场作用下，体内多子顺电场方向被吸引到S表面积累
能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯，
2020/6/15
XIDIAN UNIVERSITY
1.1 MOS电容
表面能带图:p型衬底(1)
零栅压情形
零栅压—平带状态 理想MOS电容： 绝缘层是理想的，不存在任何电荷； Si和SiO2界面处不存在界面陷阱电荷； 金半功函数差为0。 系统热平衡态，能带平，表面净电荷为0
MOS结构：具有Q随V变化的电容效应， 形成MOS电容
2020/6/15
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1.1 MOS电容 实际的铝线-氧化层-半导体
（M:约10000A O:250A S:约0.5~1mm）
xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度 正栅压↑，增大的电场使更多的多子耗尽， xd↑，能带下弯增加
2020/6/15
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1.1 MOS电容
表面能带图:p型衬底(2)
大的正栅压情形
X dT
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大的正栅压——反型状态
EFS EFi
能带下弯程度↑，表面 EFi 到 EF下，表面具n型。 栅压增加，更多的多子被耗尽，P衬表面Na-增多，
空间电荷区厚度:表面耗尽情形
禁带中心能级
费米能级
P型衬底
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， fp，fn
f
1 q
[Ei
EF ]
表面势 ：半导体表面电势与体内电势之差， s
S 1q[Ei(表面 )E（ F 体内 ] ）
能级的高低代表了电子势能的不同，能级越高，电子势能越高
半导体掺杂类型不同、浓度不同，EF的相对位置不同
2020/6/15
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1.1 MOS电容
负栅压情形
表面能带图:p型衬底(1)
禁带中心能级
导带底能级
EFSEV
负栅压——多子积累状态
费米能级
价带顶能级
金属一侧积累负电荷，半导体一侧感应等量正电荷
外栅压产生从半导体指向金属的电场
会画相应各状态能带图
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1.1.2 耗尽层厚度
本节内容
耗尽层厚度公式 耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因 半导体表面状态和表面势的关系 空间电荷层电荷与表面势的关系
2020/6/15
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1.1 MOS电容
表面能带有弯曲，说明表面和体内比：电子势能不同，即电势不同，
采用单边突变结的耗尽层近似，耗尽层厚度：
2020/6/15
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1.1 MOS电容
S d
N
表面电荷面电荷密度
d
一块材料，假如有均匀分布的电荷，浓度为N，表面积为S，厚度为d
材料总电荷：Q= eN Sd
表面S单位面积内的电荷（面电荷密度）：Q`=
2020/6/15
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1.1 MOS电容
理想MOS 电容结构特点
绝缘层是理想的，不存在任何电荷，绝对不导电； 半导体足够厚，不管加什么栅电压，在到达接触点之前总有一个
零电场区（硅体区） 绝缘层与半导体界面处不存在界面陷阱电荷； 金属与半导体之间不存在功函数差。
态
的关系
Φs<0
多子积 Q`S∝exp(Φs/Vt) 累
Φs =0
平带
0< Φs <Φfp Φs =Φfp
Φfp<Φs<2Φfp 0<Φfn<Φfp Φs >＝2Φfp Φfp<Φfn
耗尽 本征 弱反型
强反型
Q`SD(Na-）∝Φs1/2 Q`SD(Na-） Q`SD ∝Φs1/2
Q`inv∝exp(Φs/Vt) Q`SD ∝Φs1/2
场效应器件物理 MOS结构
1.1 MOS电容
MOS电容结构
氧化层介电常数
Al或高掺杂的 多晶Si
SiO2
氧化层厚度
ox d
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
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1.1 MOS电容
平行板电容
平行板电容： 上下两金属极板，中间为绝缘材料
2020/6/15
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1.1 MOS电容
表面能带图:p型衬底(2)
小的正栅压情形
(耗尽层)
小的正栅压——多子耗尽状态
EFSEFi
电场作用下，表面多子被耗尽，留下带负电的受主离子，不可动，
且由半导体浓度的限制，形 成一定厚度的负空间电荷区xd 能带变化： P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯
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1.1 MOS电容
小的负栅压情形
表面能带图:n型衬底(2)
n型
(耗尽层)
EFSEFi
大的负栅压情形
n型
(反型层+耗尽层)
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EFS EFi
1.1.1 能带图
需掌握内容
N型和P型半导体表面状态随外加栅压的物理 变化过程
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1.1 MOS电容
能带图
禁带中心能级
导带底能级
费米能级
价带顶能级
能带图：
描述静电偏置下MOS结构的内部状态，分价带、导带、禁带
晶体不同，能带结构不同，能带宽窄，禁带宽度大小不同
金属（价带、导带交叠：EF）、氧化物（Eg大）、半导体（ Eg 小）
eNd
MOS电容，耗尽层和反型层均在氧化层下方产生，
表面积即栅氧化层面积
耗尽层电荷面电荷密度：Q`SD= eNa Xd 反型层电荷面电荷密度： Q`inv = ens Xn
2020/6/15
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1.1 MOS电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系
Φs 大小
S表面状 S表面电荷QS随Φs
Q`inv∝exp(Φs/Vt)
2020/6/15
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1.1 MOS电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系
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
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。
2020/6/15
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1.1 MOS电容
正栅压情形
表面能带图:n型衬底(1)
零栅压情形
EFSEC
2020/6/15
电场作用下，体内多子顺电场方向被吸引到S表面积累
能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯，
2020/6/15
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1.1 MOS电容
表面能带图:p型衬底(1)
零栅压情形
零栅压—平带状态 理想MOS电容： 绝缘层是理想的，不存在任何电荷； Si和SiO2界面处不存在界面陷阱电荷； 金半功函数差为0。 系统热平衡态，能带平，表面净电荷为0