半导体器件物理-MOSFET

表面S单位面积内的电荷（面电荷密度）Q`=
eN d
2018/11/14
XIDIAN UNIVERSITY
4.0 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


如果表面能带有弯曲，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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4.0 MOS电容
S
表面电荷面电荷密度
d N
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 材料总电荷为Q=
eN S d
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4.0 MOSFET的预备知识
表面势和费米势
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

表面势 ：半导体表面电势与体内电势之差，
s
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
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4.0 MOS电容
负栅压情形
表面能带图:p型衬底(1)
EFS EV
负栅压——多子积累状态
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， <0
s
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4.0 MOSFET的预备知识
平行板电容
平行板电容：
上下金属极板，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
4.0 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： e（s fp） e（2fp fp） EF EFi ns ni exp n exp Pp 0 N a ni exp i kT kT kT 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：
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4.0 MOSFET的预备知识
禁带中心能级
能带图
导带底能级
费米能级
价带顶能级
能带结图： 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） 半导体掺杂类型不同、浓度不同，EF的相对位置不同
4.0 MOS电容
表面能带图:p型衬底(1)
பைடு நூலகம்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
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Xd≈0.3μ m，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：
P型衬底
Q`-=Q`dep+Q`inv≈Q`dep
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4.0 MOS电容
表面反型层电子浓度与表面势的关系
半导体表面处，耗尽层面电荷密度Q`dep=e Naxd
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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4.0 MOS电容
大的正栅压情形
X dT
表面能带图:p型衬底(2)
大的正栅压——反型状态 能带下弯程度↑，表面 EFi 到 EF下，表面具n型。
EFS EFi
栅压增加， s 增大，更多的多子被耗尽，Q`dep （=e Naxd）增加
同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面反型电子Qinv积累，反型层形成 反型层电荷面密度Q`inv=e nsxinv
栅压↑，反型层电荷数Qinv增加， 反型层电导受栅压调制
2018/11/14 XIDIAN UNIVERSITY
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使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压
4.0 MOS电容
浓度： ns =PP0；
空间电荷区厚度:表面反型情形
阈值反型点表面电荷特点：
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，
4.0 MOS电容
小的正栅压情形
表面能带图:p型衬底(2)
(耗尽层)
小的正栅压——多子耗尽状态 且由半导体浓度的限制，形 成一定厚度的负空间电荷区 xd
EFS EFi
电场作用下，表面多子被耗尽，留下带负电的受主离子Na- ，不可动 能带变化： P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯， s >0 xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度
阈值反型点后，VG增加：
表面处可动电子电荷浓度在ns =PP0基础上指数迅速大量增加：
E EFi ns ni exp F kT
e（s fp） n exp i kT
场效应器件物理
西安电子科技大学
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第四章 MOS场效应晶体管
MOSFET的预备知识
2018/11/14
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4.0 MOSFET的预备知识
氧化层介电常数 Al或高掺杂的 多晶Si
MOS电容
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