Lecture24-第六章-理想MOS电容器

1、 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province理想理想MOSMOS电容器电容器 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceOutline1. 积累区（积累区（VG0）4. 反型区（反型区（VG0） Micro Electromechanical System Research Center of Engine

2、ering and Technology of Anhui Province对于一个理想的对于一个理想的MOS系统，当外加偏压系统，当外加偏压VG变化时，金属极变化时，金属极板上的电荷板上的电荷QM和半导体表面空间电荷和半导体表面空间电荷QS都要相应发生变化。都要相应发生变化。说明，说明，MOS系统有一定的电容效应，所以把它叫做系统有一定的电容效应，所以把它叫做MOS电电容器；但一般说来：容器；但一般说来：QM并不正比于外加偏压并不正比于外加偏压VG，需要讨论，需要讨论微分电容。微分电容。 Micro Electromechanical System Research Center of En

3、gineering and Technology of Anhui Province令令C为为MOS系统单位面积的微分电容，则：系统单位面积的微分电容，则：微分电容微分电容C的数值随外加偏压的数值随外加偏压VG变化，这变化，这个变化规律称为个变化规律称为MOS系统的电容系统的电容-电压特电压特性性S0GVVGMddVQC MSM0MGdddddd1QQVQVC Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province令:C0：绝缘层单位面积上的电容CS：半导体表面

4、空间电荷区单位面积的电容SSSMS0M0ddddddQQCVQCSCCC1110MSM0MGdddddd1QQVQVC Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province两个电容串联后，总电容变小，且其数值主要由较小的一个电两个电容串联后，总电容变小，且其数值主要由较小的一个电容所决定，因为大部分电压都降落在较小的电容上。容所决定，因为大部分电压都降落在较小的电容上。C/C0称为系统的归一化电容称为系统的归一化电容SSCCCCC00SCCCC/1100即有：

5、即有： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province00M0000M xQVxVQ电场000M0ddxVQC Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceSSSSMSddddQQC Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and

6、 Technology of Anhui Province当当MOS电容器的金属电极上加有较大的负偏压时电容器的金属电极上加有较大的负偏压时，能带明显能带明显向上弯曲，在表面造成多数载流子空穴的大量积累；只要表向上弯曲，在表面造成多数载流子空穴的大量积累；只要表面势面势 稍有变化，就会引起表面空间电荷稍有变化，就会引起表面空间电荷QS的很大变化；所以，的很大变化；所以，半导体表面电容比较大，可以忽略不计。半导体表面电容比较大，可以忽略不计。MOS系统的电容基系统的电容基本上等于绝缘体电容本上等于绝缘体电容C0。当负偏压的数值逐渐减小时，空间电荷区积累的空穴数随之当负偏压的数值逐渐减小时，空间电

7、荷区积累的空穴数随之减少，且减少，且QS随随 的变化逐渐减慢，的变化逐渐减慢，CS变小，它的作用就不能变小，它的作用就不能忽略；将使总电容减小，所以负偏压的数值愈小，忽略；将使总电容减小，所以负偏压的数值愈小，Cs愈小，愈小，MOS电容器的总电容电容器的总电容C就愈小。就愈小。SSd00Sd )(xxpxpqQ Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center o

8、f Engineering and Technology of Anhui Province在平带附近，空间电荷区中：在平带附近，空间电荷区中：由空穴的过剩或欠缺引起的电荷密度：由空穴的过剩或欠缺引起的电荷密度：在平带附近，在平带附近， 。上式进行指数项展开，且只保留前两项。上式进行指数项展开，且只保留前两项 T/ )(0)(Vxepxp) 1e ( )()(T/00VqpppqxKTpqVqpx02T0)(VG=0时，时， =0，能带是平直的，称为平带情况能带是平直的，称为平带情况STV Micro Electromechanical System Research Center of En

9、gineering and Technology of Anhui Province则，空间电荷区内的泊松方程为：则，空间电荷区内的泊松方程为：式中：式中：其通解为：其通解为：2Ds0222ddLKTpqx2/102sDpqKTLKTpqx02)(s22ddxDD/LxLxBeAeassd2qNx Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Provinces, 0; 0,xx其边界条件为：D/sLxeDD/s2Ds/s02)(LxLxeLeKTpqxKTpqx02)

10、(DD/LxLxBeAe电荷密度：电荷密度： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province半导体表面单位面积内的总电荷为：半导体表面单位面积内的总电荷为：空间电荷与表空间电荷与表面势符号相反面势符号相反平带情况下半导体表面的小信号电容平带情况下半导体表面的小信号电容( (微分电容微分电容) )：归一化平带电容：归一化平带电容：sDs0/s2Ds0Sdd )(DLxeLxxQLxDsSSSddLQC2/1a2sDNqKTL0sD00FB11xLCC2/1

11、02sDpqKTL Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province正比氧化层厚度正比氧化层厚度正比掺杂浓度正比掺杂浓度0sD00FB11xLCC2/1a2sDNqKTL Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvincedsSSSddxQCdaSxqNQ2/1SsaS)2(qNQ可得：可得：SCCC1110s2das2

12、xqN在耗尽区，由：在耗尽区，由： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province对于氧化层有：对于氧化层有：SSCCCCC000sd0011xxCC000M0ddxVQCdsSSSddxQCS0GVV0S0CQVS0SGCQVs2aS2dxqN20asG0s0sd21CNqVCCxdaBSxqNQQ Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology

13、of Anhui Province2/1G20sa202/1Gsa2002121VxqNVqNCCCSCCCC/110020asG0s0sd21CNqVCCxdsSSSddxQC000M0ddxVQC耗尽区归一化电容为：耗尽区归一化电容为： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhu

14、i Province出现反型层以后的电容出现反型层以后的电容C与测量频率有很大关系，所谓电容与测量频率有很大关系，所谓电容C与测量频率有关，就是与交变信号电压的频率有关。与测量频率有关，就是与交变信号电压的频率有关。在测量电容在测量电容C时，在时，在MOS系统上施加有直流偏压系统上施加有直流偏压VG，然后然后在在VG之上再加小信号的交变电压，使电荷之上再加小信号的交变电压，使电荷QM变化，从而测变化，从而测量电容量电容C。在不同的直流偏压下测量在不同的直流偏压下测量C ，便得到便得到C-V关系。关系。测量方法：测量方法： Micro Electromechanical System Resea

15、rch Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province在出现反型层以后，特别是在接近强反型时，表面电荷由两部在出现反型层以后，特别是在接近强反型时，表面电荷由两部分组成：一部分是反型层中的电子电荷分组成：一部分是反型层中的电子电荷QI，它是由少子的增加它是由少子的增加引起的；另一部分是耗尽层下的电离受主电荷引起的；另一部分是耗尽层下的电离受主电荷

16、QB，它是由多它是由多子空穴的丧失引起的：子空穴的丧失引起的：SBSISSSddddddQQQCBISQQQ Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province如果测量电容的信号频率较高，耗尽层中电子如果测量电容的信号频率较高，耗尽层中电子-空穴对的产生和空穴对的产生和复合过程跟不上信号的变化，反型层中的电子电荷复合过程跟不上信号的变化，反型层中的电子电荷QI也就来不也就来不及改变。则有：及改变。则有：则高频情况下，反型层中的电容为：则高频情况下，反型层中的

17、电容为：0ddSIQ0sd0011xxCCdsSBSddxQC Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province随着直流偏压随着直流偏压VG的增加，的增加，xd增大，电容增大，电容C按耗尽层的电容变化按耗尽层的电容变化规律而减小。当表面形成强反型层时，强反型层中的电子电规律而减小。当表面形成强反型层时，强反型层中的电子电荷随直流偏压的增加而增加，对直流偏置电场起屏蔽作用。荷随直流偏压的增加而增加，对直流偏置电场起屏蔽作用。于是，耗尽层宽度不再变化，达到极大

18、值于是，耗尽层宽度不再变化，达到极大值xdm，此时，此时，MOS系系统的电容统的电容C就达到最小值就达到最小值Cmin。且不再随且不再随VG的增加而变化，如的增加而变化，如图中虚线所示。图中虚线所示。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province正比氧化层厚度正比氧化层厚度正比掺杂浓度正比掺杂浓度0sd0011xxCC Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceSISddQC（2）在接近强反型区，如果测量电容的信号频率比较低，耗尽）在接近强反型区，如果测量电容的信号频率比较低，耗尽层中电子层中电子-空穴对的产生与复合过程能跟得上信号的变化，这时，空穴对的产生与复合过程能跟得上信号的变化，这时，反型层中的电子电