半导体物理6

金属与半导体功函数差对MOS结构C-V特性 的影响
❖曲线（1）为理想MIS结构的C-V曲线
❖曲线（2）为金属与半导体有功函数差时的C-V 曲线
二、界面陷阱与氧化层电荷
主要四种电荷类型：界面陷阱电荷、氧化层固定 电荷、氧化层陷阱电荷和可动离子电荷。
金 属
氧化层陷阱电荷
可动离子电荷 Na+
K+
氧化层固定电荷
SiO2
Si
界面陷阱电荷
实际MOS二极管的C-V曲线
平带电压：
VFB
ms
Qf
Qm Co
Qot
实际MOS二极管的阈值电压：
VT
VFB
qN AWm Co
ψs (inv) VFB
2 sqN A (2ψB )
Co
2ψ B
6.1.3 CCD器件
三相电荷耦合器件的剖面图
6.2 MOSFET基本原理
理想MOS二极管的C-V曲线
V=Vo+ψs
C=CoCj/(Co+Cj)
强反型刚发生时的 金属平行板电压— —阈值电压 一旦当强反型发生时，总 电容保持在最小值Cmin。
理想MOS二极管的C-V曲线
理想情况下的阈值电压：
VT
qN AWm Co
ψs (inv)
2 s qN A (2ψB )
Co
2ψ B
Z L
u nCo
(VG
VT )
gm
I D VG
|VD C
Z L
u
n CoVD
长沟MOSFET的输出特性
饱和区：
VDsat VG 2ψB K 2 来自1 1 2VG / K 2 )
K
I Dsat
(
Zu nCo 2L
)(VG
VT )2
s qN A
Co
VD VDsat
gm
I D VG
|VD C
Z L u nCo (VG
VT )
gD 0
提取阈 值电压
研究亚 阈特性
转移特性曲线
举例：对一n型沟道n型多晶硅-SiO2-Si的
理想MOSFET的电流电压方程式：
ID
Z L
u nCo{(VG
2ψB
VD 2
)VD
2 3
2 s qN A
Co
[(VD
2ψB )2 / 3
(2ψB )3/ 2 ]}
截止区：ID 0
VG <VT
线性区：
Z ID L unCo (VG VT )VD
VD (VG VT )
gD
I D VD
|VG C
基本FET结构
6.1 MOS二极管
MOS二极管是MOSFET器件的枢纽； 在IC中，亦作为一储存电容器；CCD器件 的基本组成部分。
6.1.1 理想MOS二极管
理想P型半导体MOS二极管的能带图：
功函数（金属的Φm和半导体的Φs ） 电子亲和力
理想MOS二极管定义：
零偏压时，功函数差Φms为零； 任意偏压下，二极管中的电荷仅位于半导
1 点y处的每单位面积感应电荷Qs（y）； 2 点y处反型层里的每单位面积电荷量 Qn（y）； 3 沟道中y处的电导率； 4 沟道电导； 5 dy片段的沟道电阻、电压降； 6 由源极（y=0,V=0）积分至漏极(y=L,V=VD)得ID。
沟道放大图（线性区）
Qn(y)
N+
Id
N+
Qsc(y)
0 y y+dy L
三 种 状 态
由p型半导体构成的MOS结构在各种VG下 的表面势和空间电荷分布：
表面电势ψs：
ψs<0 空穴积累； ψs=0 平带情况； ψB>ψs>0 空穴耗尽； ψs = ψB 禁带中心，ns=np=ni； ψs >ψB 反型（ ψs> 2ψB 时，强反型）； 强反型时，表面耗尽区的宽度达到最大值： Qs=Qn+Qsc=Qn-qNAWm
体之中，且与邻近氧化层的金属表面电荷 量大小相等，极性相反； 直流偏压下，无载流子通过氧化层。
MOS二极管中三个分离系统的能带图
半导体表面三种状态
❖随金属与半导体所加的电压VG而变化，半导体表面出现 三种状态：基本上可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况。 ❖以P型为例，当一负电压施加于金属上，在氧化层与半 导体的界面处产生空穴堆积，——积累现象。 ❖外加一小量正电压，靠近半导体表面的能带将向下弯曲， 使多数载流子（空穴）形成耗尽——耗尽现象。 ❖外加一更大正电压，能带向下弯曲更严重，使表面的Ei 越过EF,当电子浓度远大于空穴浓度时——反型现象。
工作方式——饱和区
过饱和
推导基本MOSFET特性
理想电流电压特性基于如下假设
1 栅极结构理想； 2 仅考虑漂移电流； 3 反型层中载流子迁移率为固定值； 4 沟道内杂质浓度为均匀分布； 5 反向漏电流可忽略； 6 沟道内横向电场>>纵向电场 7 缓变沟道近似。
推导基本MOSFET特性
简要过程：
强反型发生时，Cmin：
Cm in
d
ox ( ox / s )Wm
6.1.2 实际MOS二极管
金属-SiO2-Si为广泛研究，但其功函数 差一般不为零，且在氧化层内部或SiO2-Si界 面处存在的不同电荷，将以各种方式影响理 想MOS的特性。
一、功函数差
•铝：qΦm=4.1ev； •高掺杂多晶硅：n+与p+多晶硅的功函数分别为 4.05ev和5.05ev； •随着电极材料与硅衬底掺杂浓度的不同，Φms发生 很大变化； •为达到理想平带状态，需外加一相当于功函数的 电压，此电压成为平带电压（VFB）。
MOSFET的缩写：IGFET、MISFET、 MOST。
1960年，第一个MOSFET首次制成，采 用热氧化硅衬底，沟道长度25um，栅氧化 层厚度100nm（Kahng及Atalla）。
2001年，沟道长度为15nm的超小型 MOSFET制造出来。
NMOS晶体管基本结构与电路符号
栅极 源极
导体
第6章 MOSFET及相关器件
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
MOS二极管 MOSFET基本原理 MOSFET按比例缩小 CMOS与双极型CMOS 绝缘层上MOSFET MOS存储器结构
相关主题
1 MOS二极管的VT与反型条件 2 MOSFET基本特性 3 按比例缩小理论与短沟道效应的关系 4 低功耗CMOS逻辑 5 MOS存储器结构
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栅极
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n
n
p 掺杂半导体衬底
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6.2.1 基本特性
工作方式——线性区