场效应器件物理 MOS结构

S表面状 S表面电荷QS随Φs
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
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
2020/2/28
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1.1 MOS电容
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
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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
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，
表面空间电荷区厚度
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n型衬底 费米势
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半导体衬 底施主掺 杂浓度
1.1 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
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1.1.2 耗尽层厚度 需掌握内容
耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因 耗尽层厚度公式 半导体表面状态和表面势的关系 阈值反型点的定义 常用器件掺杂范围
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。
硅的电子亲和能
金属的功函数：
金属的功函数
Wm E0 EFm em
半导体的功函数
Ws

E0
EFs
e

Eg 2
e fp
金半功函数差（电势表示）
金属的费米能级
ms

Wm
Ws e
m
(
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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）
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，
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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
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：
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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= eNSd 表面S单位面积内的电荷（面电荷密度）：Q`= eN d
MOS电容，阈值反型后，表面负电荷的增加主要由反型电子贡献
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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

阈值反型点后：
ns

ni 2 Na
exp
s
Vt

实例：Na 11016 cm3 T 300K
fp 0.347V s反型 2 fp 0.695V
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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)
EFS EFi
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

Eg 2e
fp )
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1.1 MOS电容
修正的金 属功函数
二氧化硅的禁带宽度
功函数差:MOS结构的能带图
二氧化硅的电子亲和能 修正的硅的电子亲和能
金属与半导体的功函数差（电势表示）
ms m
(
Eg 2e
fp )
金属与半导体的功函数差（电势表示）
场效应器件物理
西安电子科技大学 XIDIAN UNIVERSITY 10.金属氧化物半导体场效应晶体管基础
10.1双端MOS结构
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1
1.1 MOS电容
1.1.1 能带图 1.1.2 耗尽层厚度 1.1.3电荷分布 1.1.4功函数差 1.1.5 平带电压 1.1.6 阈值电压
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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
EFS EFi
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
半导体掺杂类型不同、浓度不同，EF的相对位置不同
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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
EFS EV 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
ns 11016 cm3
表面势增加0.12V，则ns=100PP0， 而Xdep只增加约8%，很小
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1.1 MOS电容
空间电荷区厚度:n型衬底情形
阈值反型点： 表面势= 2倍费米势，表面处空穴浓度=体内电子浓度 阈值电压： 使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压
平行板电容
平行板电容： 上下两金属极板，中间为绝缘材料
单位面积电容: C`= ox / d 外加电压V，电容器存储的电荷：Q= CV，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
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1.1 MOS电容 实际的铝线-氧化层-半导体
e（s
kT
fp）


ni
exp
e（2fp
kT
fp）


Pp0

Na
阈值反型点： 表面势= 2倍费米势，表面处电子浓度=体内空穴浓度
阈值电压： 使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压
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1.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面反型情形
（M:约10000A O:250A S:约0.5~1mm）
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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。

S
）
0
MOS变为一个统一电子系统后，发生电子的转移，直到EF统一
能带下弯：半导体一侧电子增多
SiO2的能带倾斜：金属电子通过外导线到了半导体表面，则金属带正电， 半导体表面带负电
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P型衬底
Q`-=Q`dep+Q`inv≈Q`dep
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1.1 MOS电容
表面能带图:p型衬底(2)
阈值反型后，VG↑半导体表面进入强反型状态 xd达到最大值XdT不再扩展： 表面处总的负电荷面密度Q`-=Q`dep+Q`inv
Q`dep = eNa Xd，
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本节内容
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
2020/2/28
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1.1 MOS电容
Q`inv∝exp(Φs/Vt) Q`SD ∝Φs1/2
Q`inv∝exp(Φs/Vt)
2020/2/28
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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
P型衬底
反型层电荷浓度：随表面势指数增加
ns

ni
exp
EF EFi kT


ni
exp
ms

'm
( '
Eg 2e
fp )
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1.1 MOS电容
功函数差:MOS结构的能带图
MOS紧密接触，假设有外部导线连接M和S, MOS成为统一的电子系统， 0栅压下热平衡状态的能带图？
MOS成为统一系统， 0栅压下热平衡状态有统一的EF SiO2的能带倾斜 半导体一侧能带弯曲
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1.1.4 功函数差
本节内容
功函数和功函数差定义 功函数差对半导体表面的影响 N+ POLY或 P+POLY与硅的功函数差 常用结构的功函数概况
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1.1 MOS电容 功函数差:MOS接触前的能带图
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。
2020/2/28
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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
EFS ຫໍສະໝຸດ BaiduEC
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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
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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
阈值反型点表面电荷特点： 浓度： ns =PP0； 厚度： 反型层厚度Xinv<<耗尽层厚度Xd
反型层电荷Q`inv= ens Xinv << Q`dep = eNa Xd
例如：若Na=1016/cm3，栅氧厚度为30nm，
计算可得：Φfp=0.348V， Xd≈0.3μm，Xd ≈ 4nm，由此得 Q`dep=-5.5×10-8/cm2, Q`inv = -6.5×10-10/cm2 因此表面电荷面密度为：
变化原因：金属半导体Φms不为0
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1.1 MOS电容
功函数差:MOS结构的能带图
条件：零栅压，热平衡
零栅压下氧化物 二侧的电势差
零栅压下半导体的 表面势
接触之后能带图的变化过程： EF代表电子填充能级的水平，电子趋于填充低能级
ms
（Vox0
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

1 q
[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
ns

ni 2 Na
exp
s Vt

阈值反型点后，若VG↑→ΦS↑（相对变大） 反型层电子电荷浓度在ns =PP0基础上随ΦS指数迅速大量增加 而Q`dep与ΦS1/2, ΦS较大时， Q`dep增加微弱，近似不变 →表面耗尽层宽度Xd基本不变，在阈值反型点开始 达到最大XdT