半导体物理学第八章

(b) Vgs>VT, Vds<Vgs-VT
沟道不再伸展到漏极，处于夹断状态， 夹断处的电压降保持在Vds>Vgs-VT 。 (c) Vgs>VT, Vds>Vgs-VT
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二维电子气 目前, 二维电子气主要以下面三个方式实现 1, MOSFET 2, 超晶格 3, 液He表面
MOSFET 示意图
MIS结构
MIS结构

理想情况
– 金属与半导体间功函数差为零
– 绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电 – 绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态
能带图
能带图-1
无偏压时MOS 结构中由于功 函数差引起的 表面能带弯曲
•
偏压时MOS结构表面能带弯曲
过渡区：平带？
外加偏置
Flat Band
★ 表面空间电荷层
半导体物理学
一．半导体中的电子状态
二．半导体中杂质和缺陷能级
三．半导体中载流子的统计分布
四．半导体的导电性
五．非平衡载流子 六．pn结 七．金属和半导体的接触 八．半导体表面与MIS结构 九．半导体异质结构
第8章 半导体表面与MIS结构
8.1表面态 8.2表面电场效应 8.3MIS结构的电容一电压特性 8.4硅一二氧化硅系统的性质 8.5表面电导及迁移率 8.6表面电场对pn结特性的影响
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阈值电压 VT

引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压， 称为阈值电压VT。
往往用离子注入技术改变沟道区的掺杂浓 度，从而改变阈值电压。

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改变阈值电压
对NMOS晶体管而言，注入P型杂质，将使 阈值电压增加。反之，注入N型杂质将使阈 值电压降低。 如果注入剂量足够大，可使器件沟道区反 型变成N型的。这时，要在栅上加负电压， 才能减少沟道中电子浓度，或消除沟道， 使器件截止。在这种情况下，阈值电压变 成负的电压，称其为夹断电压。
半导体
i >0 (VS >0)
i <0 (VS <0)
表面耗尽, 表面反型
n型 电子积累
p型 表面耗尽, 表面反型
空穴积累
p型 i >0 (VS >0)

对表面空间电荷区的一般讨论: 解泊松方程 (空间电荷区中电势满足的方 程) 2
dV ( x) = 2 dx r 0
D
其中
( x) e(n p) e( p n)
A

求解方程, 可得到表面空间电荷层的基本 参数: ♦表面电场强度 Es(Vs) ♦表面空间电荷面密度 Qsc(Vs)
QSC rs 0 ES
♦单位面积的半导体 空间电荷层电容 Csc(Vs)

QSC CS VS
应用C-V特性研究表面空间电荷层
课堂练习8

MISwk.baidu.com构中如果绝缘层厚度d0，相对介电常数
为 r ，问绝缘层电容 C0 =？ MIS结构中存在绝缘层电容和半导体空间电荷层 电容，试写出总电容与这两个电容的关系。
n
n
p 掺杂半导体衬底 n 型MOS管 栅极 源极
欧姆接触
导体 绝缘体
栅极
栅极
p
p
漏极 源极 衬底 耗尽型电路符号 漏极 源极 衬底 增强型电路符号 漏极
n 掺杂半导体衬底 p 型MOS管
图2.8 MOS管的物理结构与电路符号
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工作原理：如果没有任何外加偏置电压， 这时，从漏到源是两个背对背的二极管。 它们之间所能流过的电流就是二极管的反 向漏电流。在栅电极下没有导电沟道形成。 如果把源漏和衬底接地，在栅上加一足够 高的正电压，从静电学的观点看，这一正 的栅电压将要排斥栅下的P型衬底中的可动 的空穴电荷而吸引电子。电子在表面聚集 到一定浓度时，栅下的P型层将变成N型层， 即呈现反型。N反型层与源漏两端的N型扩 散层连通，就形成以电子为载流子的导电

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根据阈值电压不同，常把MOS器件分成增 强型和耗尽型两种器件。对于N沟MOS器 件而言，将阈值电压VT ＞0的器件称为增 强型器件，阈值电压VT ＜0的器件，称为 耗尽型器件。 在 CMOS 电 路 里 ， 全 部 采 用 增 强 型 的 NMOS和PMOS。

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三个区域
图
(a) Vgs>VT, Vds=0V
MIS电容

电容的定义:
MIS电容
实验结果
图8-6
理想MOS结构
金属-氧化物(SiO2)-半导体(Si) （MOS）结构是 主流半导体器件CMOS的重要组成部分， 典型 的结构如Al/SiO2/p-Si， 其基本的能带结构参数如下图所示。

MOS场效应管

MOS场效应管是利用半导体表面的电场效应来控制 输出电流的，输入端不需要供给电流。
P型硅片作衬底，表面制作两个N型区，引出源极(s) 和漏极(d)，覆盖一层SiO2，在漏源之间绝缘层上 再制作一层金属铝，引出栅极(g) 。

金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide-semiconductor)
电路符号
d
g
s
MOS晶体管基本结构与工作原理
源极 栅极 导体 绝缘体 栅极 栅极 漏极 源极 漏极 衬底 耗尽型电路符号 源极 衬底 增强型电路符号 漏极
我们将直接讨论各种典型情况下的空间电 荷区,给出半定量或定性的结果: ♦ 当外加电场i变化(外加电压变化),表面势 VS (表面空间电荷层)随之变化

♦ 讨论表面空间电荷面密度QSC和空间电荷 层电容(单位面积) CSC随表面势VS的变化
MIS电容：P型半导体
绝缘层电容C0和 0 半导体空间电荷区电容Cs 高频时反型层电子浓度变化跟不上频率变化，只有空间电荷层变化
空间电荷区: 半导体中呈现非电中性(出现 静电荷)的区域 表面空间电荷区起因: 屏蔽外界影响产生 的电场 [外电场; 表面态; 表面原子吸附或薄层覆盖; 界面] 特点: 表面空间电荷区中存在电场, 能带发 生弯曲. 表面势VS—半导体表面相对于体内的电势值


定性图象: 设半导体表面外有电场i (或写作Vg，栅压， 以指向半导体表面为正).