,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十一章 金属,-,氧化物,-,半导体场效应晶体管基础,1,第十一章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础1,11.1,双端结构,11.2,电容电压特性,11.3,基本工作原理,11.4,频率限制特性,11.5,技术,11.6,小结,11.1双端结构,2,11.1,双端,MOS,结构,11.1.1,能带图,11.1.2,耗尽层厚度,11.1.3,功函数差,11.1.4,平带电压,11.1.5,阈值电压,11.1.6,电荷分布,3,11.1 双端MOS结构11.1.1 能带图3,11.1 MOS,电容,MOS,电容结构,氧化层厚度,氧化层介电常数,Al,或高掺杂的多晶,Si,n,型,Si,或,p,型,Si,SiO,2,4,11.1 MOS电容,实际的铝线,-,氧化层,-,半导体（,M:,约,10000A O:250A S:,约,0.51mm,）,5,实际的铝线-氧化层-半导体（M:约10000A O:25,11.1 MOS,电容,表面能带图,:p,型衬底,(1),负栅压情形,导带底能级,禁带中心能级,费米能级,价带顶能级,6,11.1 MOS电容 表面能带图:p型,11.1 MOS,电容,表面能带图,:p,型衬底,(2),小的正栅压情形,大的正栅压情形,(,耗尽层,),(,反型层,+,耗尽层,),7,11.1 MOS电容 表面能带图:p型,11.1 MOS,电容,表面能带图,:n,型衬底,(1),正栅压情形,8,11.1 MOS电容 表面能带图:n型,11.1 MOS,电容,表面能带图,:n,型衬底,(2),小的负栅压情形,大的负栅压情形,(,耗尽层,),n,型,(,反型层,+,耗尽层,),n,型,9,11.1 MOS电容 表面能带图:n型,小节内容,11.1.1,能带图,随便画能带图,要知道其半导体类型,加什么电压往那里弯曲,10,小节内容11.1.1 能带图10,11.1 MOS,电容,空间电荷区厚度,:,表面耗尽情形,费米势,表面势,表面空间电荷区厚度,半导体表面电势与体内电势之差,半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势表示,采用单边突变结的耗尽层近似,P,型衬底,11,11.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面耗尽情形费,11.1 MOS,电容,空间电荷区厚度,:,表面反型情形,阈值反型点,条件：表面处的电子浓度,=,体内的空穴浓度,表面空间电荷区厚度,P,型衬底,表面电子浓度：,体内空穴浓度：,栅电压,=,阈值电压,表面空间电荷区厚度达到最大值,12,11.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面反型情形阈值,11.1 MOS,电容,空间电荷区厚度,:n,型衬底情形,阈值反型点,条件：,表面势,=,费米势的,2,倍，表面处的空穴浓度,=,体内的电子浓度，栅电压,=,阈值电压,表面空间电荷区厚度,表面势,n,型衬底,13,11.1 MOS电容 空间电荷区厚度:n型衬底情形阈,11.1 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,14,11.1 MOS电容 空间电荷区厚度:与掺杂浓度的关系实际,小节内容,11.1.2,耗尽层厚度,耗尽情况,反型情况,会算其厚度,了解阈值反型点条件,常用器件掺杂范围,15,小节内容11.1.2 耗尽层厚度15,11.1 MOS,电容,功函数差,:MOS,接触前的能带图,金属的功函数,金属的费米能级,二氧化硅的禁带宽度,二氧化硅的电子亲和能,硅的电子亲和能,绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，,16,11.1 MOS电容 功函数差:MOS接触前的能带,11.1 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,修正的金属功函数,零栅压下半导体的表面势,修正的硅的电子亲和能,二氧化硅的电子亲和能,17,11.1 MOS电容 功函数差:MOS结构的能,11.1 MOS,电容,功函数差,:,计算公式,内建电势差：,功函数差,18,11.1 MOS电容 功函数,11.1 MOS,电容,功函数差,:n,掺杂多晶硅栅,(P-Si),0,MOSFET,为增强型,V,G,=0,时未反型，加有正栅压时才反型,V,TN,0,MOSFET,为耗尽型,V,G,=0,时已反型，加有负栅压后才能脱离反型,P,型衬底,MOS,结构,28,11.1 MOS电容,11.1 MOS,电容,阈值电压,:n,型衬底情形,29,11.1 MOS电容 阈值,费米势,表面耗尽层最大厚度,单位面积表面耗尽层电荷,单位面积栅氧化层电容,平带电压,阈值电压,11.1 MOS,电容,n,型衬底与,p,型衬底的比较,p,型衬底,MOS,结构,n,型衬底,MOS,结构,阈值电压典型值,金属,-,半导体功函数差,30,费米势表面耗尽层最大厚度单位面积表面耗尽层电荷单位面积栅氧化,11.1 MOS,电容,表面反型层电子密度与表面势的关系,31,11.1 MOS电容 表面反型层电子密度与表面势的关系31,11.1 MOS,电容,表面空间电荷层电荷与表面势的关系,堆积,平带,耗尽,弱反型,强反型,32,11.1 MOS电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系堆积,小节内容,11.1.6,电荷分布,分布图,11.1.5,阈值电压,概念,电中性条件,与谁有关,?,如何理解,?,N,型,P,型及掺杂的关系,33,小节内容11.1.5 阈值电压33,11.2,节内容,理想情况,CV,特性,频率特性,氧化层电荷及界面态的影响,实例,34,11.2节内容理想情况CV特性34,11.2 C-V,特性,什么是,C-V,特性？,平带,电容,-,电压特性,35,11.2 C-V特性什么是C-V特性？平带电容-电压特性35,11.2 C-V,特性,堆积状态,加负栅压，堆积层电荷能够跟得上栅压的变化，相当于栅介质平板电容,平带,本征,36,11.2 C-V特性,11.2 C-V,特性,平带状态,所加负栅压正好等于平带电压,V,FB,，使半导体表面能带无弯曲,平带,本征,37,11.2 C-V特性,11.2 C-V,特性,耗尽状态,加小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅压的变化而变化，出现耗尽层电容,平带,本征,C相当与Cox与Csd串联,38,11.2 C-V特性,11.2 C-V,特性,强反型状态,(,低频,),加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层电荷跟得上栅压的变化,平带,本征,39,11.2 C-V特性,11.2 C-V,特性,n,型与,p,型的比较,p,型衬底,MOS,结构,n,型衬底,MOS,结构,40,11.2 C-V特性,11.2 C-V,特性,反型状态,(,高频,),加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅压变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电容对,C,有贡献。此时，耗尽层宽度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。,栅压频率的影响,41,11.2 C-V特性,小节内容,理想情况,CV,特性,CV,特性概念,堆积平带耗尽反型下的概念,堆积平带耗尽反型下的计算,频率特性,高低频情况图形及解释,42,小节内容理想情况CV特性42,11.2 C-V,特性,氧化层电荷的影响,例图,:,如果,Qss,均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电,所以平带电压更负,-,+,43,11.2 C-V特性 氧,11.2 C-V,特性,界面陷阱的分类,被电子占据（在,E,FS,之下）带负电，不被电子占据（在,E,FS,之上）为中性,被电子占据（在,E,FS,之下）为中性，不被电子占据（在,E,FS,之上）带正电,（界面陷阱）,受主态容易接受电子带负电,正常情况热平衡不带电,施主态容易放出电子带正电,图,11.32,氧化层界面处界面态示意图,界面态：半导体界面处允许的能态,44,11.2 C-V特性,11.2 C-V,特性,界面陷阱的影响,:,堆积状态,堆积状态：界面陷阱带正电，,C-V,曲线左移，平带电压更负,例图,:,需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电,所以平带电压更负,-,+,施主态容易放出电子带正电,45,11.2 C-V特性 界面陷阱的影响:堆,禁带中央：界面陷阱不带电，对,C-V,曲线无影响,11.2 C-V,特性,界面陷阱的影响,:,本征状态,46,禁带中央：界面陷阱不带电，对C-V曲线无影响11.2 C-V,反型状态：界面陷阱带负电，,C-V,曲线右移，阈值电压更正。,11.2 C-V,特性,界面陷阱的影响,:,反型状态,例图,:,需要额外牺牲三个正电荷来中和界面态的负电,所以阈值电压升高,_ _ _,+,受主态容易接受电子带负电,47,反型状态：界面陷阱带负电，C-V曲线右移，阈值电压更正。11,48,48,小节内容,氧化层电荷及界面态对,C-V,曲线的影响,氧化层电荷影响及曲线,界面态概念,界面态影响概念曲线,实例,如何测,C-V,曲线,如何看图解释出现的现象,49,小节内容氧化层电荷及界面态对C-V曲线的影响49,