场效应器件物理1-1MOS结构

1、2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY半导体物理与器件半导体物理与器件西安电子科技大学西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITY 张丽张丽11.11.金属氧化物半导体场效应晶体管基础金属氧化物半导体场效应晶体管基础11.111.1双端双端MOS结构结构2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 本节内容本节内容n1.1.1 能带图能带图n1.1.2 耗尽层厚度耗尽层厚度n1.1.3 功函数差功函数差n1.1.4 平带电压平带电压n1.1.5 阈值电压阈值电压n1.1.6 电荷分布电荷分布2021-10-30XIDIAN UNIV

2、ERSITY 1.1 MOS电容电容 MOSMOS电容结构电容结构氧化层厚度氧化层厚度氧化层介电常数氧化层介电常数Al或高掺杂的或高掺杂的多晶多晶Sin型型Si或或p型型SiSiO2MOS结构具有结构具有Q随随V变化的电容效应，形成变化的电容效应，形成MOS电容电容dox2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 实际的铝线实际的铝线- -氧化层氧化层- -半导体半导体n（M:约约10000A O:250A S:约约0.51mm）2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 理想理想MOS MOS 电容结构特点电容结构特点2

3、021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 表面能带图表面能带图:p:p型衬底型衬底(1)(1)负栅压情形负栅压情形导带底能级导带底能级禁带中心能级禁带中心能级费米能级费米能级价带顶能级价带顶能级VFSEE负栅压：负栅压： 多子的积累，多子的积累， 体内多子顺电场方向被吸引到体内多子顺电场方向被吸引到S表面，表面，能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 表面能带图表面能带图:p:p型衬底型衬底(1)(1)零栅压情形零栅压情形理想理想MOS电容：电容： 绝

4、缘层是理想的，不存在任何电荷；绝缘层是理想的，不存在任何电荷； Si和和SiO2界面处不存在界面陷阱电荷；界面处不存在界面陷阱电荷； 金半功函数差为金半功函数差为0。 系统热平衡态，能带平，表面净电荷为系统热平衡态，能带平，表面净电荷为02021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 表面能带图表面能带图:p:p型衬底型衬底(2)(2)小的正栅压情形小的正栅压情形(耗尽层耗尽层)FiFSEE小的正栅压：多子耗尽，小的正栅压：多子耗尽，表面留下带负电的受主离子，不可动，且由半导体浓度的限制，表面留下带负电的受主离子，不可动，且由半导体浓度的限制，形成负的空间电荷区

5、。形成负的空间电荷区。能带变化：能带变化： P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯，衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯，注意：正栅压注意：正栅压，增大的电场使更多的多子耗尽，增大的电场使更多的多子耗尽， xd，能带下弯增加，能带下弯增加 xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度。：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度。2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 表面能带图表面能带图:p:p型衬底型衬底(2)(2)大的正栅压情形大的正栅压情形(反型层反型层+耗尽层耗尽层)dTXFiFSEE大的正栅压：大的正栅压：能带下弯程度能带下弯程度，表面，表面 EFi 到

6、到 EF下，表面具下，表面具n型。型。 P衬表面衬表面Na-面电荷密度面电荷密度，同时，同时P衬体内的电子被吸引到表面，衬体内的电子被吸引到表面，表面出现电子积累，反型层形成。表面出现电子积累，反型层形成。注意：栅压注意：栅压反型层电荷数增加，反型层电导受栅压调制。反型层电荷数增加，反型层电导受栅压调制。 阈值反型后，阈值反型后， xd最大值最大值XdT不再扩展。不再扩展。2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 表面能带图表面能带图:n:n型衬底型衬底(1)(1)正栅压情形正栅压情形CFSEE零栅压情形零栅压情形2021-10-30XIDIAN UNIV

7、ERSITY 1.1 MOS电容电容 表面能带图表面能带图:n:n型衬底型衬底(2)(2)小的负栅压情形小的负栅压情形大的负栅压情形大的负栅压情形FiFSEEFiFSEE(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1.1 能带图能带图 需掌握内容需掌握内容nN型和型和P型半导体表面状态随外加栅压的物理变型半导体表面状态随外加栅压的物理变化过程化过程n会画相应各状态能带图会画相应各状态能带图2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1.2 耗尽层厚度耗尽层厚度 本节内容本节内容n耗尽层厚度公式耗尽层厚度公式n耗尽层厚度在不同半

8、导体表面状态的特点和原因耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因n半导体表面状态和表面势的关系半导体表面状态和表面势的关系n阈值反型点和阈值电压阈值反型点和阈值电压n空间电荷层电荷与表面势的关系空间电荷层电荷与表面势的关系2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 空间电荷区厚度空间电荷区厚度: :表面耗尽情形表面耗尽情形费米势费米势表面势表面势表面空间电荷表面空间电荷区厚度区厚度s半导体表面电势与半导体表面电势与体内电势之差体内电势之差半导体体内费米能半导体体内费米能级与禁带中心能级级与禁带中心能级之差的电势表示之差的电势表示采用单边突变结的耗尽层近似采

9、用单边突变结的耗尽层近似P型衬底型衬底耗尽层形成：正栅压，耗尽层形成：正栅压，P衬表面多子空穴耗尽，留下固定不动的衬表面多子空穴耗尽，留下固定不动的Na-，由，由半导体浓度的限制，分布在半导体浓度的限制，分布在S表面一定厚度内，负的空间电荷区表面一定厚度内，负的空间电荷区cm/F1085. 87 .11SiO106 . 1)K300,Si(cm105 . 1)K300(V0259. 0/14219310的介电常数电子电量半导体本征掺杂浓度度半导体衬底受主掺杂浓热电势siatqeTnNTqkTV2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 空间电荷区厚度空间电荷

10、区厚度: :表面反型情形表面反型情形阈值反型点：阈值反型点： 表面势表面势= 2倍费米势，表面处电子浓度倍费米势，表面处电子浓度=体内空穴浓度体内空穴浓度阈值电压：阈值电压： 使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压表面空间电荷区厚度表面空间电荷区厚度P型衬底型衬底2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系表面反型层电子浓度与表面势的关系tsaisVNnnexp2316316cm101V695. 02V347. 0K300cm101sfpsfpanTN反型实例：2021-10-30XIDIAN

11、 UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 表面空间电荷层电荷与表面势的关系表面空间电荷层电荷与表面势的关系本征本征半导体表面状态的变化时衬底型GSVSip堆积堆积平带平带耗尽耗尽本征本征弱反型弱反型强反型强反型2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 空间电荷区厚度空间电荷区厚度:n:n型衬底情形型衬底情形表面空间电荷区厚度表面空间电荷区厚度表面势表面势半导体衬半导体衬底施主掺底施主掺杂浓度杂浓度n型衬底型衬底阈值反型点：阈值反型点： 表面势表面势= 2倍费米势，表面处空穴浓度倍费米势，表面处空穴浓度=体内电子浓度体内电子浓度阈值电压：阈值电压： 使

12、半导体表面达到阈值反型点时的栅电压使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 空间电荷区厚度空间电荷区厚度: :与掺杂浓度的关系与掺杂浓度的关系实际器件实际器件参数区间参数区间2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1.2 耗尽层厚度耗尽层厚度 需掌握内容需掌握内容n耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因n耗尽层厚度公式耗尽层厚度公式n半导体表面状态和表面势的关系半导体表面状态和表面势的关系n阈值反型点的定义阈值反型点的定义n常用器件掺杂范围常用器件掺杂范围

13、2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1.3 功函数差功函数差 本节内容本节内容n功函数和功函数差定义功函数和功函数差定义n功函数差对半导体表面的影响功函数差对半导体表面的影响nN+ POLY或或 P+POLY与硅的功函数差与硅的功函数差n常用结构的功函数概况常用结构的功函数概况2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 功函数差功函数差:MOS:MOS接触前的能带图接触前的能带图金属的功函数金属的功函数金属的费米能级金属的费米能级硅的电子亲和能硅的电子亲和能fpgFsseEeEEW20半导体的功函数)2(fpgmsmmseEeWW（电

14、势表示）差金属与半导体的功函数mFmmeEEW0金属的功函数功函数：起始能量等于功函数：起始能量等于EF的电子，由材料内部逸出体外到真的电子，由材料内部逸出体外到真 空所需最小能量。空所需最小能量。XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 功函数差功函数差:MOS:MOS结构的能带图结构的能带图2021-10-30)2(fpegEmms差（电势表示）金属与半导体的功函数修正的金属修正的金属功函数功函数修正的硅的电子修正的硅的电子亲和能亲和能二氧化硅的电子亲和能二氧化硅的电子亲和能二氧化硅的禁带宽度二氧化硅的禁带宽度)2(fpegEmms差（电势表示）金属与半导体的功函数202

15、1-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 功函数差功函数差:MOS:MOS结构的能带图结构的能带图条件：零栅压，条件：零栅压， 热平衡热平衡接触之后能带图的变化：接触之后能带图的变化： 1）MOS成为统一系统，成为统一系统， 0栅压下热平衡状态有统一的栅压下热平衡状态有统一的EF。 2）SiO2的能带倾斜：的能带倾斜：3）半导体一侧能带弯曲：）半导体一侧能带弯曲：原因：金属半导体原因：金属半导体ms不为不为0 零栅压下氧化物零栅压下氧化物二侧的电势差二侧的电势差零栅压下半导体的零栅压下半导体的表面势表面势2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1

16、.1 MOS电容电容 功函数差功函数差: :计算公式计算公式)()2(00SoxfpgmmsVeE功函数差使二者能带发生弯曲，功函数差使二者能带发生弯曲，弯曲量之和是金属半导体的功弯曲量之和是金属半导体的功函数差。函数差。2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 功函数差功函数差:n:n掺杂多晶硅栅掺杂多晶硅栅0简并：简并：degenerate 退化，衰退退化，衰退P-Si近似相等近似相等n+掺杂至简并掺杂至简并2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 功函数差功函数差:p:p掺杂多晶硅栅掺杂多晶硅栅p+掺杂至简并掺杂

17、至简并02021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 功函数差功函数差:n:n型衬底情形型衬底情形负栅压的大小负栅压的大小)2(fpegEmmsP型衬底：)n2(fegEmmsN型衬底：2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 功函数差功函数差: :与掺杂浓度的关系与掺杂浓度的关系型衬底型衬底同样栅电极材料下的pnmsAupolypAlpolyn：SipAlpolynAupolyp：Sin|型型同样衬底材料下的ms0Al)poly,nms对多数应用（2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1.3 功函数

18、差功函数差 需掌握内容需掌握内容n功函数和功函数差定义功函数和功函数差定义n功函数差与谁有关功函数差与谁有关?nMOS系统接触前的能带图系统接触前的能带图nMOS系统接触后的能带图变化和原因系统接触后的能带图变化和原因n不用金属不用金属,而用而用N+ POLY或或 P+POLY功函数差如何算功函数差如何算?n常用结构的功函数概况常用结构的功函数概况2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1.4 平带电压平带电压 本节内容本节内容n平带电压定义平带电压定义n半导体表面能带弯曲可能原因和物理过程半导体表面能带弯曲可能原因和物理过程n平带电压推导平带电压推导n平带电压影响因素平带

19、电压影响因素2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 平带电压平带电压: :能带弯曲的动因能带弯曲的动因nMOS结构中半导体表面能带弯曲的动因结构中半导体表面能带弯曲的动因n金属与半导体之间加有电压（栅压）金属与半导体之间加有电压（栅压）n半导体与金属之间存在功函数差半导体与金属之间存在功函数差n氧化层中存在的正电荷氧化层中存在的正电荷（面电荷密度面电荷密度Qss） 可动电荷：工艺引入的金属离子可动电荷：工艺引入的金属离子 陷阱电荷：辐照陷阱电荷：辐照 界面态：界面态：SiSio2界面界面Si禁带中的能级禁带中的能级 氧化层中氧化层中SiSio2界面存在的

20、正的固定电荷界面存在的正的固定电荷2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 平带电压平带电压: :固定电荷成因固定电荷成因n SiSiO2界面存在的正的固定电荷（面电荷密度）界面存在的正的固定电荷（面电荷密度）1、固定电荷面密度大小与掺杂类型和浓度基本无关，而与硅晶面、固定电荷面密度大小与掺杂类型和浓度基本无关，而与硅晶面 111，110，100共价键密度大小顺序相同。共价键密度大小顺序相同。2、通常为氧化条件的函数，可通过在氩气和氮气中对氧化物退火、通常为氧化条件的函数，可通过在氩气和氮气中对氧化物退火 来改变这种电荷密度。来改变这种电荷密度。3、氧化层

21、中固定电荷在位置上表现的很靠近氧化物半导体界面。、氧化层中固定电荷在位置上表现的很靠近氧化物半导体界面。形成原因：推测和形成原因：推测和SiSiO2界面的形成有关，界面存在过剩硅离子。界面的形成有关，界面存在过剩硅离子。2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 平带电压平带电压: :定义定义n平带电压平带电压VFB定义：使半导体表面能带无弯曲需定义：使半导体表面能带无弯曲需 施加的栅电压施加的栅电压来源：金属与半导体之间的功函数差，来源：金属与半导体之间的功函数差， 氧化层中的正的固定电荷氧化层中的正的固定电荷 （面电荷密度（面电荷密度Qss）2021-1

22、0-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 平带电压平带电压: :公式公式mssoxssoxoxsoxGVVVVV)()(00栅电压oxssoxmoxssmCQCQVQQ0电中性条件oxssmsGFBCQVVs|0平带电压)000恒（，则若ssFBmsQVVox0+ s0=- ms2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1.4 平带电压平带电压 需掌握内容需掌握内容n平带电压定义平带电压定义n半导体表面能带弯曲可能原因和物理过程半导体表面能带弯曲可能原因和物理过程n如果没有功函数差及氧化层电荷如果没有功函数差及氧化层电荷,平带电压平带电压为多少为多少

23、?n平带电压推导过程和公式平带电压推导过程和公式XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 阈值电压阈值电压: :主要内容主要内容2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY n阈值电压定义阈值电压定义n阈值电压表达式和推导阈值电压表达式和推导n阈值电压影响因素阈值电压影响因素n阈值电压正负和器件类型的关系阈值电压正负和器件类型的关系XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 阈值电压阈值电压: :定义定义2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY VGVTN： s=VTN：s=2fp，衬底表面强反型，沟道形成，器件，衬底表面强反型，沟道形

24、成，器件导通导通阈值电压：半导体表面达到阈值电压：半导体表面达到阈值反型点阈值反型点时所需的栅压时所需的栅压VG. VT：VTN,VTP。表面势表面势=费米势的费米势的2倍倍半导体表面强反型，可半导体表面强反型，可认为认为MOSFET沟道形成沟道形成XIDIAN UNIVERSITY 2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 阈值电压阈值电压: :公式推导公式推导功函数差功函数差Vox0+ s0=- ms)(电荷掺杂浓度，氧化层固定栅氧化层电容，半导体fTNV|QSDmax|=e NaXdT msfpoxCssQoxCQSVfpoxCQSSVVsVVTNV

25、SDfps2|)0ox0(2m0ox0oxTox2|GmaxoxCmQCQoxTV栅氧化层电压|max|max|0maxssQSDQmQnQSDQssQmQnQSDQssQmQ电中性条件XIDIAN UNIVERSITY 2021-10-301.1 MOS电容电容 阈值电压影响因素阈值电压影响因素: :栅电容栅电容COX影响影响：COX越大，则越大，则VTN越小；越小；COX提高途径：提高途径：选择介电常数大的绝缘介质选择介电常数大的绝缘介质;栅氧化层保证质量前提下尽量薄。栅氧化层保证质量前提下尽量薄。msfpoxCssQoxCSDQTNV2|max|阈值电压ssQ|SD|Qmax物理过程：物

26、理过程：COX越大，同样越大，同样VG在半导体表面感应的在半导体表面感应的电荷越多，电荷越多， 达到阈值反型点所需达到阈值反型点所需VG越小，易反型。越小，易反型。XIDIAN UNIVERSITY 2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 阈值电压影响因素阈值电压影响因素: :掺杂浓度掺杂浓度|QSDmax|=e NaXdTNa影响影响：Na越小，则越小，则VTN越小；越小； msfpoxCssQoxCSDQTNV2|max|阈值电压问题问题：假定半导体非均匀掺杂，影响假定半导体非均匀掺杂，影响VT的是哪部分半导体的浓度？的是哪部分半导体的浓度？ 结论：

27、氧化层下方的半导体的浓度。结论：氧化层下方的半导体的浓度。 可通过离子注入改变半导体表面的掺杂浓度，调整可通过离子注入改变半导体表面的掺杂浓度，调整VT。 物理过程：物理过程：Na越小，达到反型所需耗尽的多子越越小，达到反型所需耗尽的多子越少，少， QSDmax越小，半导体表面易反型。越小，半导体表面易反型。 XIDIAN UNIVERSITY 2021-10-30XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容电容 阈值电压影响因素阈值电压影响因素: :氧化层电荷氧化层电荷QSS影响影响：QSS越大，则越大，则VTN越小；越小；msfpoxCssQoxCSDQTNV2|max|阈值电压注意：注意：QSS对对VT影响的大小与衬底掺杂浓度有关影响的大小与衬底掺杂浓度有关 ，Na越大，越大， QSS的影响越小的影响越小。物理过程：物理过程：QSS越大，其在半导体表面感应出的负电荷越越大，其在半导体表面感应出的负电荷越 多，达到反型所需多，达到反型所需VG越小，易反型。越小，易反型。XIDIAN UNIVERSITY 2021-10-30XIDIA