MOS电容学习课程

1、为什么要介绍MOS电容？随机存储器RAM的电荷存储元件 频繁的应用于线性电路和数字电路中 现代电子器件MOSFET，就是建立在MOS的基础之上 第1页/共33页第一页，编辑于星期六：八点 三十七分。集成电路结构 为什么有P+？氧化层的厚度为什么不一样？栅氧栅氧场氧场氧第2页/共33页第二页，编辑于星期六：八点 三十七分。C-V曲线第3页/共33页第三页，编辑于星期六：八点 三十七分。0GFBVV剖面图剖面图能带图能带图有效栅压有效栅压第4页/共33页第四页，编辑于星期六：八点 三十七分。硅衬底中的能带弯曲量 是MOS电容特性中一个非常重要的参数 表面势是相对于硅衬底的体势能的一个参考能级注意与

2、功函数的区别！ 表面势表面势sq第5页/共33页第五页，编辑于星期六：八点 三十七分。积累模式 在积累模式，表面势的改变相较于栅压的改变量是可以被忽略的 这意味着栅压的任何变化的绝大部分都会穿过氧化层 电容等于栅氧电容，与栅压独立。 oxoxoxCt第6页/共33页第六页，编辑于星期六：八点 三十七分。外加一个较小的正有效栅压第7页/共33页第七页，编辑于星期六：八点 三十七分。剖面图剖面图能带图能带图GFBMGVVV第8页/共33页第八页，编辑于星期六：八点 三十七分。耗尽模式 耗尽层电容依赖于外加电压 更大的栅电压会产生一个更宽的耗尽层，电容也就越小 随着栅压的增加，整体电容会减小MOS电

3、容的这种工作模式称为耗尽模式第9页/共33页第九页，编辑于星期六：八点 三十七分。耗尽模式 表面势紧随着栅压的改变而改变 这表示几乎整个栅压的改变量都落在了半导体表面的耗尽层 耗尽层仿佛是栅氧之外附加的一个电介质层 耗尽层电容与氧化层电容串联在一起，整个MOS电容为 111oxdCCC第10页/共33页第十页，编辑于星期六：八点 三十七分。C-V曲线第11页/共33页第十一页，编辑于星期六：八点 三十七分。特征点VMG 这个特征点可以用能带图来解释 特征点特征点第12页/共33页第十二页，编辑于星期六：八点 三十七分。特征点VMG 栅压增加超过平带电压后，沿着价带顶与费米能级之间差异增加的方向

4、产生了能带的弯曲 这种情形是与表面的空穴减少（甚至最终消除）相联系的 能带弯曲的结果是使禁带中央（Ei线）接近费米能级。 特征点就是当禁带中央Ei线恰好与表面处的费米能级相交的点 第13页/共33页第十三页，编辑于星期六：八点 三十七分。特征点VMG 在特征点处，硅衬底的表面处于本征硅的情形下 当能带的弯曲大于它时，禁带中央Ei线在某一点会穿过费米能级，使得费米能级相较于离开价带顶的距离而言更接近于导带底 这意味着电子（P型衬底中的少子）的浓度大于硅表面空穴的浓度在表面产生了一个反型层 费米能级的变化表示了什么？弱弱 反反 型型 第14页/共33页第十四页，编辑于星期六：八点 三十七分。注意

5、反型层中的电子（P型区中的少子）来自于热产生的电子-空穴对。 由于热产生是一个很缓慢的过程，电子无法快速的响应栅压的改变。 因此当栅信号的频率高于100Hz时，所描述的这种电容的增加无法观察到。 高频电容由所能达到的最大耗尽层宽度决定。 第15页/共33页第十五页，编辑于星期六：八点 三十七分。能带图能带图剖面图剖面图GFBTVVV第16页/共33页第十六页，编辑于星期六：八点 三十七分。强反型 在强反型中，栅压的变化不会导致表面势的显著变化 这即是说，表面势有一个固定值 方便起见， 我们假设在强反型模式下2sF第17页/共33页第十七页，编辑于星期六：八点 三十七分。使表面势达到的栅压被定义

6、为阈值电压阈值电压2FTV第18页/共33页第十八页，编辑于星期六：八点 三十七分。强反型的C-V曲线第19页/共33页第十九页，编辑于星期六：八点 三十七分。半导体的功函数对于半导体而言，功函数依赖于？掺杂类型和掺杂水平因为费米能级的位置会随着掺杂而改变。 2gSSFEqqq第20页/共33页第二十页，编辑于星期六：八点 三十七分。费米势 一个重要的半导体参数 表达了掺杂的类型和水平 FiFqEElnlnAiDiNkTqnFNkTqnfor Pfor N第21页/共33页第二十一页，编辑于星期六：八点 三十七分。对于Simsq2gmsmsFEqqqqq第22页/共33页第二十二页，编辑于星期

7、六：八点 三十七分。注意 强反型模式的开启由阈值电压的值决定。 与阈值电压有关的两个近似：第23页/共33页第二十三页，编辑于星期六：八点 三十七分。P型衬底的MOS电容阈值电压：N型衬底的MOS电容阈值电压：222sATFBFFoxqNVVC2sAoxqNC22TFBFFVV2sDoxqNC22TFBFFVV第24页/共33页第二十四页，编辑于星期六：八点 三十七分。VFB对实际的MOS结构来说，VFB可分为两个部分：12FBFBFBVVV1FBmsV02FBoxQVC 第25页/共33页第二十五页，编辑于星期六：八点 三十七分。例1、计算阈值电压MOS电容的工艺参数及相应的物理参数值 参数

8、符号值衬底掺杂浓度NA21016cm-3栅氧厚度tox30nm氧化层电荷密度Q0/q51010cm-2栅的类型N+多晶硅本征载流子浓度ni1.021010cm-3带隙宽度Eg1.12eV室温下的热电压Vt=kT/q0.026二氧化硅介电常数 ox3.4510-11F/m硅介电常数 s1.0410-10F/m第26页/共33页第二十六页，编辑于星期六：八点 三十七分。阈值电压的设计 在CMOS（互补MOS）集成电路工艺中，对于P型衬底和N型衬底必须要提供绝对值相等的阈值电压。 对于N型衬底的MOS结构，我们有必要确定其施主浓度ND的值，以保证其阈值电压与P型衬底的MOS电容阈值电压的绝对值相等。第27页/共33页第二十七页，编辑于星期六：八点 三十七分。平平 带带第28页/共33页第二十八页，编辑于星期六：八点 三十七分。如何绘制MOS电容的能带图？ 和之前一样，最先画费米能级 ，用虚线表示 两种情形： 如果系统处于热平衡（加零偏压），整个系统中费米能级是常数。 如果栅和衬底之间加了偏压，费米能级（更精确的说，应该是准费米能级）在这种情形下会发生分裂 。第29页/共33页第二十九页，编辑于星期六：八点 三十七分