半导体物理与材料5

1、半导导体物理与与材料、器件概论概论第五章第五章 结型、金属结型、金属- -氧化物氧化物- -半导体半导体场效应晶体管场效应晶体管5.1 5.1 介绍介绍 本章要讨论结型场效应晶体管和金属本章要讨论结型场效应晶体管和金属氧化层氧化层半导体场半导体场效应晶体管。两者都只以一种极性的载流子参加导电，因效应晶体管。两者都只以一种极性的载流子参加导电，因此统称为单极器件此统称为单极器件(Unipolardevices). 结型场效应晶体管常以它的英文缩写结型场效应晶体管常以它的英文缩写JFET(Junction-field-effect transistor)作为简称。从本质意义上说，它是一个作为简称。

2、从本质意义上说，它是一个由由电压控制的电阻器电压控制的电阻器，由两个反偏，由两个反偏p-n结夹住的区域成为一结夹住的区域成为一导电沟道，其导电能力受垂直于导电沟道的电场控制，因导电沟道，其导电能力受垂直于导电沟道的电场控制，因此通过沟道的电流受输入信号的调制。此通过沟道的电流受输入信号的调制。 由于由于FET都是单极器件，因此不受少数载流子储存效应的都是单极器件，因此不受少数载流子储存效应的影响，有比双极型器件更高的开关速度和截止频率。影响，有比双极型器件更高的开关速度和截止频率。 金属金属氧化物氧化物半导体结构简称半导体结构简称MOS结构或结构或MOS电容。电容。它是研究半导体表面最为有用的

3、对象。所有半导体器件它是研究半导体表面最为有用的对象。所有半导体器件的可靠性和稳定性都与它们的表面状态有着紧密的联系，的可靠性和稳定性都与它们的表面状态有着紧密的联系，藉助于藉助于MOS结构，可以对半导体表面物理状态进行研究。结构，可以对半导体表面物理状态进行研究。此外，此外，MOS结构在集成电路中可作为储存电容，在电荷结构在集成电路中可作为储存电容，在电荷耦合器件耦合器件(Charge-couple devices)中可作为一个基本的单中可作为一个基本的单元。元。 金属金属氧化物氧化物半导体场效应晶体管的英文简称为半导体场效应晶体管的英文简称为MOSFET(Metaloxide-semico

4、nductor field-effect transistor).它由两个紧挨着的它由两个紧挨着的MOS结构组成结构组成.MOSFET的的工作特性与工作特性与JFET类似，并具有功耗低、容易集成等优点，类似，并具有功耗低、容易集成等优点，是目前大规模集成电路中最重要的器件单元是目前大规模集成电路中最重要的器件单元,已广泛应用已广泛应用于集成微处理器和半导体存储器等领域。于集成微处理器和半导体存储器等领域。 5.2 结型场效应晶体管结型场效应晶体管(JFET)5.2.1工作原理工作原理JFET的理论是的理论是1952年由肖克莱首先提出来的年由肖克莱首先提出来的.一年后制成了这种具有一年后制成了这

5、种具有场效应特性的晶体管。这一节中将介绍场效应特性的晶体管。这一节中将介绍JFET的工作原理、电流的工作原理、电流电电压特性以及频率特性。压特性以及频率特性。 结构如图结构如图5-1所示，它有两个金属与半导体的欧姆接触，其中一个称所示，它有两个金属与半导体的欧姆接触，其中一个称为源极为源极S(Source)，另一个为漏极，另一个为漏极D(Drain)，夹在两个，夹在两个p-n结耗尽层之结耗尽层之间的区域为导电沟道。间的区域为导电沟道。 (a) JFET结构结构 DGSDGSN及及P沟道沟道JFET表示符号表示符号 在通常情况下在通常情况下,上上,下两个栅极连在一起，所加栅极电压下两个栅极连在一

6、起，所加栅极电压使栅结为零偏或反偏，漏极加一个小的正电压使栅结为零偏或反偏，漏极加一个小的正电压VDS时形时形成一由漏向源的漏电流。图成一由漏向源的漏电流。图5-1所示器件的沟道是所示器件的沟道是n型的，型的，因此称这种器件为因此称这种器件为n沟道沟道JFET。 (b)JEFT中间区域的截面图中间区域的截面图 栅结为零偏压时的沟道电阻栅结为零偏压时的沟道电阻: :)(2WaZNqLANqLALRDnDn其中其中ND为施主浓度为施主浓度,A=2Z(a-W)为有电流流过的截面积为有电流流过的截面积,W为上为上,下下p+n的耗尽层宽度。的耗尽层宽度。 IDVD线性线性不同偏压下的不同偏压下的JFET

7、的耗尽层宽度及输出特性的耗尽层宽度及输出特性(a) 当当VG0，VDS0时，时，沟道内有一很小的沟道内有一很小的漏漏电流电流IDVDSR,电流电流随电压线性增加随电压线性增加. .由于重掺杂由于重掺杂P+区的电导率很高，可区的电导率很高，可以认为栅区上的电位处处相等，而以认为栅区上的电位处处相等，而沟道区电阻使电位沿沟道从漏向源沟道区电阻使电位沿沟道从漏向源逐渐降低，因此当逐渐降低，因此当VDS0时，时，两个两个p+n结反偏结反偏，反向偏压在靠近漏极，反向偏压在靠近漏极处较大，靠近源极处较小，耗尽层处较大，靠近源极处较小，耗尽层靠近漏极处变宽。靠近漏极处变宽。随着随着VD的增加的增加沟道截沟道

8、截面积会变小面积会变小，而沟道，而沟道电阻将增大电阻将增大,因此因此ID随随VD的增加速率逐渐减的增加速率逐渐减慢。慢。IDVDIDsatVDsat夹断夹断不同偏压下的不同偏压下的JFET的耗尽层宽度及输出特性的耗尽层宽度及输出特性(b) 相应的漏电压相应的漏电压VDSVDsat称为饱和电压称为饱和电压,相应相应的漏电流的漏电流IDIDsat称为称为饱和漏电流饱和漏电流. .当漏电压当漏电压VDS继续增加时，继续增加时，耗尽区宽度也继续增加，耗尽区宽度也继续增加，最终将使靠近漏极的两耗最终将使靠近漏极的两耗尽层相接触。这时的耗尽尽层相接触。这时的耗尽层最大宽度为层最大宽度为Wa，漏极，漏极附近

9、的沟道宽度为零，附近的沟道宽度为零，沟道被夹断沟道被夹断.aIDVDIDsatVDsat饱和饱和不同偏压下的不同偏压下的JFET的耗尽层宽度及输出特性的耗尽层宽度及输出特性(c) 当当VDVDsat时，靠近漏时，靠近漏极一侧的耗尽层变得更极一侧的耗尽层变得更宽，沟道的夹断点宽，沟道的夹断点p向向源极方向略微移动。源极方向略微移动。由于由于p点电位保持不变点电位保持不变,仍仍为为VDsat,因此单位时间内来因此单位时间内来自源极并到达自源极并到达p点的电子点的电子数不变，即沟道内的数不变，即沟道内的电流不变，仍为电流不变，仍为IDIDsat并与并与VD无关。无关。IDVDIDsatVDsat不同

10、偏压下的不同偏压下的JFET的耗尽层宽度及输出特性的耗尽层宽度及输出特性(d) VG=-1VVG=0当当JFET的栅源之间加了的栅源之间加了VGS-1V的电压时的电压时,其初始电流比其初始电流比VG0时时的小许多。同时的小许多。同时,栅源加上负电压栅源加上负电压后后,JFET的沟道夹断电压的沟道夹断电压(pinch-off voltage)VDsat也将比也将比VGS0的低。的低。当栅源之间加上一负电压，当栅源之间加上一负电压，栅结耗尽层宽度增大，在栅结耗尽层宽度增大，在给定的给定的VDS电压下，沟道截电压下，沟道截面积将比栅源电压面积将比栅源电压VGS0时的更小时的更小.5.2.2电流电流电

11、压特性电压特性 下面讨论如图下面讨论如图5-3(a)所示所示JFET在夹断前的在夹断前的电流电流电压特性电压特性。沿沟道变化的漏。沿沟道变化的漏源电压如图源电压如图5-3(b)所示所示.在沟道上取一微分元在沟道上取一微分元dy，在，在dy上的压降可由下式给出上的压降可由下式给出:)(2yWaZNqdyIdRIdVDnDDV(y)y0L LVDyzdyy y+dy沟道区的耗尽层扩展沿沟道降落的漏沟道区的耗尽层扩展沿沟道降落的漏- -源电压源电压 源源 漏漏VDLRS在离源的距离为在离源的距离为y处，耗尽层宽度可由处，耗尽层宽度可由p+n突变结耗尽层宽度表达突变结耗尽层宽度表达式表示（从式表示（从

12、2.62式）式）: 02 ( )( )sGSbiDV yVVW yqN 这里为了避免与漏电压这里为了避免与漏电压(VDS)混淆，特将栅结的接触电势差用混淆，特将栅结的接触电势差用Vbi表示。漏电流表示。漏电流ID是与是与y无关的常数。式无关的常数。式(5.2)也可写成也可写成:dVyWaZNqdyIDnD)(2式式5.3两边平方，再对两边平方，再对V微分可得微分可得:WdWqNdVSD0( )totGSbiVV yVV将上式代入将上式代入5.4,并从并从y=0,W=W1,到到y=L,W=W2积分得积分得:21222233212100122() ()()3WnDDDnDWSSZq NqNIqN

13、Z a WWdWa WWWWLL 上式称为上式称为n沟道沟道JFET的基本的基本I-V方程方程.当当W2=a时时,沟道夹断沟道夹断,漏电流达漏电流达到饱和值到饱和值IDsat.因此得因此得: )231 (33312210322aWaWLaNqZISDnDsat根据根据5.3式式,y=0,时，时，V(y)=0,得得2/101/)(2qNVVWDGSbiS代入上式代入上式, ,得得: :)(2)( 31 32/30322pGSbipGSbiSDnDsatVVVVVVLaNqZI20()2DpDsatbiGSSqN aVVVV 称为夹断电压称为夹断电压( (刚夹断时夹断点刚夹断时夹断点的总电压）的总

14、电压）. .Vp=3.2V的理想的理想N沟道沟道JFET的的I-V特性曲线特性曲线 线性区或可变线性区或可变电阻区电阻区IDVDSR饱和区或恒饱和区或恒流区流区IDIDsat夹断区夹断区全程夹断全程夹断夹断夹断5.2.3 漏极电导与跨导漏极电导与跨导将将n沟道的漏端与源端处沟道的漏端与源端处p+n结的耗尽层宽度结的耗尽层宽度,5.3式，式，y=L时，时，V(y)=VDS,y=0时时,V(y)=0,得得:2/102/ )(2DGSbiDSSqNVVVW2/101/ )(2DGSbiSqNVVW代入式代入式5.6式式,得到得到I-V特性另一表达式特性另一表达式:)()(2323/23/200GSb

15、iGSbiDSDSDSDVVVVVqNaVGI其中其中: : LaqNZGDn/20为两个为两个p+np+n结的耗尽层宽度为零时的沟道电导。结的耗尽层宽度为零时的沟道电导。 漏极电导漏极电导定义为定义为: : DSDDVIgVGS=常数常数. 将式将式5.12代入上式，得代入上式，得: )()2(22/12/12/10GSbiDSpDSnDVVVVqNLZg在栅极电压在栅极电压VGS一定时，使沟道夹断的饱和漏电压为一定时，使沟道夹断的饱和漏电压为:GSbipDsatVVVV因此，当因此，当VGS=Vp-Vbi时，时，VDsat0，即沟道在它的全部长，即沟道在它的全部长度范围都被夹断，只要漏极电

16、压小于度范围都被夹断，只要漏极电压小于p+n结的雪崩击穿结的雪崩击穿电压，这时的电压，这时的ID只是很小的反向饱和电流（只是很小的反向饱和电流（全程夹断，全程夹断，没有中性区，两个耗尽层紧贴在一起没有中性区，两个耗尽层紧贴在一起）。）。 另一个重要参数是另一个重要参数是跨导跨导gm其定义为其定义为 ,GSDmVIg VDS=常数常数 它表示对于一给定的漏电压，栅电压对漏电流的控制它表示对于一给定的漏电压，栅电压对漏电流的控制本领。将式本领。将式5.12代入上式，得代入上式，得: )()()2(22/ 12/ 12/ 10GSbiGSbiDSDSnmVVVVVqNLZg由上式可见由上式可见,gm

17、与与ZL(沟道的宽长比沟道的宽长比)成正比。由于工艺成正比。由于工艺水平以及沟道长度调制效应的影响，沟道长度不能太短，水平以及沟道长度调制效应的影响，沟道长度不能太短，因此为了得到一个大跨导的因此为了得到一个大跨导的JFET常常将一个常常将一个JFET分解分解为多个单元为多个单元 JFET的并联的并联(即采用即采用梳状结构梳状结构)，以此来增，以此来增加沟道的宽度。加沟道的宽度。 由以上关于由以上关于JFET直流特性的讨论可知，漏电流是直流特性的讨论可知，漏电流是VDS和和VGS的函数的函数,即即IDID(VDS,VGS)。以下小写。以下小写v与与i代表交流电代表交流电,当交流的漏电压当交流的

18、漏电压vD与栅电压与栅电压vG叠加到直流电压上时，漏叠加到直流电压上时，漏电流应修正为电流应修正为iD+ID(VDS,VGS)，其中，其中iD是漏电流的交流分量。是漏电流的交流分量。假定假定JFET对交流电压的响应很快，则有对交流电压的响应很快，则有:5.2.4 小信号等效电路小信号等效电路),(),(GSGSDSDSDGSDSDDvVvVIVVIi),(),(GSDSDGSGSDSDSDDVVIvVvVIi将上式右边第一项以泰勒级数展开，保留直流和交流电将上式右边第一项以泰勒级数展开，保留直流和交流电压的线性项，可得压的线性项，可得: GSVGSDDSVDSDDvVIvVIiDSGS根据漏极

19、电导与跨导的定义，上式又可写成根据漏极电导与跨导的定义，上式又可写成:GSmDSDDvgvgi在前面的讨论中仅涉及可以由栅结调制的沟道电阻。在实际器件中还在前面的讨论中仅涉及可以由栅结调制的沟道电阻。在实际器件中还有如图有如图5-5所示邻近源、漏两端的串联电阻。这类电阻在源、漏电极所示邻近源、漏两端的串联电阻。这类电阻在源、漏电极与沟道之间产生电压降落。这些串联电阻对栅极电导和跨导都会有影与沟道之间产生电压降落。这些串联电阻对栅极电导和跨导都会有影响。响。 SDSnDG=GRSRDp+激活激活沟道沟道 GS,D附近存在串联电阻的附近存在串联电阻的JFET ID 由于上述串联电阻的存在由于上述串

20、联电阻的存在,实际的漏极电导和跨导都会减实际的漏极电导和跨导都会减小小,不再详细推导不再详细推导:)(DSDDSSDRRIVVDDSmSmmgRRgRgg)(1DDSmSDDgRRgRgg)(1降落于有附带串联电阻的降落于有附带串联电阻的JFET漏、源之间的电压为漏、源之间的电压为: SDGSSGRIVVRS包括了漏电阻包括了漏电阻RD.由于由于JFET有很高的输入有很高的输入阻抗阻抗,因此等效因此等效电路的输入部电路的输入部分分(左边左边)画成画成开路开路,电路中还电路中还画出了源电阻画出了源电阻RS.CGS为栅源间的耗尽层电为栅源间的耗尽层电容容,CGD是栅漏间的耗尽是栅漏间的耗尽层电容层

21、电容,gmvG是电流源是电流源,CDS是漏源间的管壳封装是漏源间的管壳封装寄生电容寄生电容,gD是漏极电导是漏极电导.栅结的反向漏电阻栅结的反向漏电阻RGS和和RGD很大很大,可以忽略可以忽略,在图在图中以虚线连接中以虚线连接. GDSRDRGDgDRGSCGDCGSCDSvGgmvGvDiD JFET的低频和高频小信号等效电路的低频和高频小信号等效电路 RSDRDgDvGgmvGvDiD GS JFET工作时，载流子通过沟道需要一定的传输时间，栅极电压随工作时，载流子通过沟道需要一定的传输时间，栅极电压随外加信号电压变化时，漏电流将对栅结耗尽层电容充放电。以上两外加信号电压变化时，漏电流将对

22、栅结耗尽层电容充放电。以上两因素使因素使JFET的高频应用受到限制。的高频应用受到限制。 5.2.5 截止频率截止频率JFET的最大工作频率是指的最大工作频率是指JFET失去放大输入信号能力失去放大输入信号能力时的效率。时的效率。在在等效电路的输出短路并忽略串联电阻等效电路的输出短路并忽略串联电阻时，通过输入电容的电流时，通过输入电容的电流iin在最大工作频率在最大工作频率fT下，应等于输出漏电流，下，应等于输出漏电流，即电流放大系数为即电流放大系数为1。因此有因此有: gGTgGDGSTinvCfvCCfi2)(2其中其中CG=CGS+CGD.输出电流为输出电流为: gmoutvgi由输入电

23、流等于输出电流，由输入电流等于输出电流，可以求出截止频率可以求出截止频率:GmTCgf2/由前面可知，由前面可知，gm与与ZnL成正比成正比,CG与栅结面积成正比，因此要改与栅结面积成正比，因此要改善善JFET的高频性能的高频性能,应使用载流子迁移率高的材料并使器件具有较应使用载流子迁移率高的材料并使器件具有较短的沟道，较小的面积。短的沟道，较小的面积。 金属金属半导体半导体场效应晶体管场效应晶体管 (Metal-semiconductor field-effect transistor)这种器件简称为这种器件简称为MESFET，它的基本工作情况与，它的基本工作情况与JFET相同，只是以相同，

24、只是以肖特基结肖特基结(金金半结半结)取代取代JFET中的栅中的栅pn结结。实用的。实用的MESFET采用采用半绝缘材料为衬底，因此寄生电容很小。图半绝缘材料为衬底，因此寄生电容很小。图5-7为为MESFET的结构的结构图，其中图，其中n型区为型区为III-V族化合物族化合物(如砷化镓如砷化镓)外延层，它有很高的电子外延层，它有很高的电子迁移率，因此其截止频率也较高。迁移率，因此其截止频率也较高。 MESFET结构图结构图肖特肖特基结基结5.3 MOS 结结 构构 金属金属氧化物氧化物半导体半导体(以下简称以下简称MOS)结构在半结构在半导体器件中占有重要地位，因为无论双极型器件还是导体器件中

25、占有重要地位，因为无论双极型器件还是本章讨论的单极型器件，本章讨论的单极型器件，MOS结构在半导体器件中总结构在半导体器件中总是普遍存在的。业已证明这种结构不仅对于半导体表是普遍存在的。业已证明这种结构不仅对于半导体表面的研究是十分有用的而且是面的研究是十分有用的而且是MOSFET大规模集成电大规模集成电路路 (VLSl)的心脏。的心脏。 本节先讨论理想本节先讨论理想MOS结构的特性，再引伸到实际结构的特性，再引伸到实际MOS结构，即考虑金属结构，即考虑金属半导体功函数差及氧化层电半导体功函数差及氧化层电荷荷,界面态等对界面态等对MOS结构特性的影响。结构特性的影响。 5.3.1理想理想MOS

26、结构结构 VG0时，理想时，理想MOS结构的能带如图结构的能带如图5-9所示所示(相当于一个相当于一个电容电容）。所谓理）。所谓理想想MOS结构，必须满足结构，必须满足三个条件三个条件： (1)在外加零偏电压时，金属功函数与半导体的功函数之差为零，这时的在外加零偏电压时，金属功函数与半导体的功函数之差为零，这时的能带是平直的。能带是平直的。(2)在任何偏置条件下，在任何偏置条件下，MOS结构内的电荷仅分布于金属与氧化层的边界结构内的电荷仅分布于金属与氧化层的边界附近及半导体的表面层附近及半导体的表面层,两侧的电量相等极性相反两侧的电量相等极性相反.(3)在直流偏置下，没有载流于穿过氧化层，即认

27、为氧化层的电阻无限大。在直流偏置下，没有载流于穿过氧化层，即认为氧化层的电阻无限大。 mqECEVEFEi(EF)msqsqqVBEg/2d真空能级真空能级金属金属P型型半导体半导体VGAlSiP型型SiO2d0 x MOS结构截面图结构截面图 VG=0时的理想时的理想MOS能带图能带图 欧姆接触欧姆接触 d为氧化层厚度，为氧化层厚度，VG为加在金属电极上的电压，规定由表为加在金属电极上的电压，规定由表面指向半导体体内的电压降落为正。面指向半导体体内的电压降落为正。 VG0时，金属功函数与半导体的功函数之差为零，即时，金属功函数与半导体的功函数之差为零，即: q(m-s)0。 引入半导体的电子

28、亲和力引入半导体的电子亲和力(Electron affinity)qs和费米能级和费米能级与本征费米能级之差与本征费米能级之差qVB,可将上述条件由下式表示：可将上述条件由下式表示：0)2()(BgsmsmmsqVEqqqq这时的这时的能带是平直能带是平直的的. . BiFqVEE 当理想当理想MOS结构的金属电极上加一正电压或负电压时，半导结构的金属电极上加一正电压或负电压时，半导体表面能带及表面电荷有体表面能带及表面电荷有三种最基本的状态三种最基本的状态-积累、耗尽、反积累、耗尽、反型型。 当当VG0时，对于时，对于p-MOS结构，邻近半导体表面的能带向上弯曲，结构，邻近半导体表面的能带向

29、上弯曲，对于一个对于一个理想理想的的MOS结构，不管外加电压取什么值、什么极性，结构，不管外加电压取什么值、什么极性，结构内部总是没有电流流过，因此半导体的费米能级保持不变结构内部总是没有电流流过，因此半导体的费米能级保持不变（与（与PN结不同）。半导体载流子浓度可用下式表示结不同）。半导体载流子浓度可用下式表示: / )exp(,/ )exp(00kTEEnpkTEEnnFiiiFi由由VG0引起邻近半导体表面处能带向上的弯曲会导致引起邻近半导体表面处能带向上的弯曲会导致半导体表面半导体表面附近附近(Ei一一EF)的变大的变大，并进而使，并进而使Ei(本征费米能级本征费米能级)导体表面处发生

30、多导体表面处发生多数载流子数载流子空穴的堆积，空穴的堆积，p0增加增加在远离半导体表面的内部，假如在远离半导体表面的内部，假如半导体的电导足够大则可忽略其电压降落，半导体的电导足够大则可忽略其电压降落， 即半导体内部能带保即半导体内部能带保持平直，持平直，内部的载流子浓度仍等于热平衡时的数值内部的载流子浓度仍等于热平衡时的数值。 EFVG0ECEVEFEidd表面处，表面处，Ei-EF变大变大只感应出空穴堆只感应出空穴堆积积QmQs0VG0,小小ECEVEFEidd表面处，表面处，Ei-EF变变小，甚至为小，甚至为0只感应出负空间只感应出负空间电荷电荷QmQsc当当VG为一较小的正电压时，理想

31、为一较小的正电压时，理想p-MOS结构的能带在表面处向下弯结构的能带在表面处向下弯曲。表面处的曲。表面处的多子多子空穴空穴将被耗尽将被耗尽(被正电场赶走被正电场赶走）,形成一形成一负空间电负空间电荷区荷区,表面处单位面积中的空间电荷为表面处单位面积中的空间电荷为: WqNQAsc0 W理想理想P型型MOS结构的能带和电荷分布结构的能带和电荷分布 b:耗尽耗尽; 当当VG为一个较大的正电压时，能带将进一步向下弯曲，使表面处的为一个较大的正电压时，能带将进一步向下弯曲，使表面处的本征能级本征能级Ei位于费米能级以下。根据式位于费米能级以下。根据式5.29a，b可知，这时在半导体可知，这时在半导体表

32、面将有表面将有EF-Ei0，因此，因此,P型半导体表面处的电子浓度型半导体表面处的电子浓度n0将超过将超过ni，空空穴浓度则小于穴浓度则小于ni,于是表面处的电子浓度超过空穴浓度（质量作用定于是表面处的电子浓度超过空穴浓度（质量作用定律），使律），使表面发生反型表面发生反型.如果如果VG继续增大，半导体能带将继续向下弯继续增大，半导体能带将继续向下弯曲，使导带底与费米能级接近。这时，表面附近的子浓度增加得很曲，使导带底与费米能级接近。这时，表面附近的子浓度增加得很快。这以后快。这以后,半导体表面中绝大部分再追加的负电荷由极薄的反型层半导体表面中绝大部分再追加的负电荷由极薄的反型层(0 xxi)

33、电子电荷组成。反型层厚度的典型值为电子电荷组成。反型层厚度的典型值为10100，比表面耗，比表面耗尽层薄得多。尽层薄得多。一旦反型层形成后，表面耗尽层达到极大一旦反型层形成后，表面耗尽层达到极大。 EFVG0,大大ECEVEFEidd表面处，表面处，Ei下穿下穿EF，EF-Ei0既有空间电荷，既有空间电荷，又有反型层电荷又有反型层电荷QmQsc0 Wm理想理想P型型MOS结构的能带和电荷分布结构的能带和电荷分布 c:反型反型 ScnSQQQmAScWqNQQnxi下面推导下面推导MOS结构的电容性质：结构的电容性质：外加于一外加于一MOS结构的电压结构的电压VG主要降落于氧化层及半导体主要降落

34、于氧化层及半导体的表面层的表面层.半导体的表面相对于体内的电势称为表面势半导体的表面相对于体内的电势称为表面势,当当表面势高于体内时定为表面势高于体内时定为VS0,反之反之VS0.表面空间电荷层内表面空间电荷层内,作为位置函数的电势作为位置函数的电势VS在一维近似时在一维近似时,符合下列符合下列Poission方程方程:022)(SxdxVd其中其中S为半导体相对介电常数，为半导体相对介电常数，(x)为总的表面空间电荷密度为总的表面空间电荷密度:)()(ppADnpNNqx上式中上式中NA,ND分别表示电离受主与电离施主的浓度，分别表示电离受主与电离施主的浓度，pp,np则为则为x处的空穴浓度

35、与电子浓度。处的空穴浓度与电子浓度。 在表面空间电荷层在表面空间电荷层,由于表面层有电势降，因此电子有附由于表面层有电势降，因此电子有附加势能加势能-qV(x)，空穴有附加势能，空穴有附加势能qV(x),如果经典的玻尔兹如果经典的玻尔兹曼统计仍然成立，则有（注入定理）：曼统计仍然成立，则有（注入定理）： )/exp(),/exp(00kTqVppkTqVnnpppp上式中上式中np0,pp0分别为分别为p型半导体在热平衡时的电子浓度和型半导体在热平衡时的电子浓度和空穴浓度。在半导体体内，根据电中性条件应有空穴浓度。在半导体体内，根据电中性条件应有: 00ppADpnNN将式将式5.34，5.3

36、6,5.35代入式代入式5.33，得，得: 1)/exp( 1)/exp(00022kTqVnkTqVpqdxVdppS上式两边乘以上式两边乘以dV，再积分，并考虑到电场强度，再积分，并考虑到电场强度E-dVdx，则可得到，则可得到电场强度电场强度: ),(200ppDpnkTqVFqLkTEV0时上式取正号，反之则取负号，其中时上式取正号，反之则取负号，其中: 2/1020)(pSDpqkTL称为德拜长度（称为德拜长度（2.63式）式）.2/1/00/00)1() 1(2),(kTqVepnkTqVepnkTqVFkTqVppkTqVpp称为称为F函数函数,由由5.38式知式知,它是它是LD

37、=2kT/q时的电场强度时的电场强度,因此因此也叫归一化电场强度。也叫归一化电场强度。 在表面处在表面处VVS，(称为表面势称为表面势)，因此表面处的电场强度，因此表面处的电场强度: ),(200ppSDSpnkTqVFqLkTE根据根据Gauss定律定律,通过半导体单位表面积的电通量通过半导体单位表面积的电通量S0ES等于等于空间电荷区所包含的电荷密度（空间电荷区所包含的电荷密度（QS= S0ES）,所以所以:FqLkTEQDSSSS002此式表明表面空间电荷层的电荷面密度是表面势的函数此式表明表面空间电荷层的电荷面密度是表面势的函数, ,具有电容性质具有电容性质, ,其微分电容（单位面积的

38、电容）其微分电容（单位面积的电容）: : FepneLVQCkTqVppkTqVDSSSSSS)1() 1(/00/0对于对于p型半导体，型半导体，当当VGO，VS也为负，并且满足也为负，并且满足: kTVqeeSkTVqkTqVSS/式式(5.43)可近似为可近似为: )2/exp(20kTqVLCSDSS这就是这就是p型型MOS结构在结构在多子积累时的表面空间电荷层电容多子积累时的表面空间电荷层电容。当当VG0时，半导体能带为平直的，因此称为时，半导体能带为平直的，因此称为平带状态平带状态(FB)。对式。对式5.43中的中的exp(土土qVSkT)项在项在VG 0时作时作幂级数展开，并保留

39、到二次项，则可由式幂级数展开，并保留到二次项，则可由式5.43得到得到VS时的表面空间电荷层电容：时的表面空间电荷层电容： 02/1000)()1 (ppDSFBSpnLC如果如果P型半导体中的掺杂使型半导体中的掺杂使np0pp0时时,则有则有:DSFBSLC0)( 当当VG0的偏压使半导体表面处的能带向下弯曲并且使表面处有的偏压使半导体表面处的能带向下弯曲并且使表面处有 0Ei-EFVB时，在半导体表面处有时，在半导体表面处有Ei一一EFVB的偏置电压使表面处少于浓度达到的偏置电压使表面处少于浓度达到nSpp0时，则有时，则有:0exp(/2)piSpnqVkT热平衡时热平衡时p型半导体中多

40、子的浓度型半导体中多子的浓度pp0也可以由式也可以由式5.29b表示，即表示，即:)/exp(0kTqVnpBipVS=2VB 比较上面两式比较上面两式, ,可得可得: :若以表面处的反型少子若以表面处的反型少子nS=pp0作为表面反型的标志作为表面反型的标志,那么上式就是表面那么上式就是表面发生强反型的临界条件发生强反型的临界条件. 若以若以pp0=NA代入式代入式5.51,那么那么: )ln(iABnNqkTV强反型临界条件则为强反型临界条件则为: :)ln(2iASnNqkTV强反型时强反型时qVSkT，由式，由式5.43可得可得:2/1/000)(2kTqVppDSSSepnLC若将若

41、将np0nsexp(-qVS/kT)代入上式，则有代入上式，则有:2/100)(2pSDSSpnLC半导体表面发生强反型时，表面空间电荷层内的电荷面密度由耗尽区半导体表面发生强反型时，表面空间电荷层内的电荷面密度由耗尽区的电离受主电荷面密度的电离受主电荷面密度(-qNAWm)与反型层电子电荷面密度两部分组成，与反型层电子电荷面密度两部分组成，如图如图5.10c所示。由于反型层对电场的屏蔽作用，因此这时的耗尽层不所示。由于反型层对电场的屏蔽作用，因此这时的耗尽层不再随再随VG的增大而扩展的增大而扩展,达到一达到一最大宽度最大宽度Wm。 5.3.2理想理想MOS结构的电容结构的电容电压特性电压特性

42、MOS结构的总电容是氧化层电容结构的总电容是氧化层电容CO和半导体表面空间电和半导体表面空间电荷层电容荷层电容Cs的串联组合，如图所示。总电容的串联组合，如图所示。总电容:SoSoCCCCCMOS结构的归一化电容为结构的归一化电容为:SoCCCC011COCSVGMOS结构等效电容结构等效电容 CO是单位面积氧化层电容是单位面积氧化层电容:0oxOCd 当当VG0时时,半导体表面处于多子积累状态半导体表面处于多子积累状态,将式将式5.44代入代入式式5.57可得可得:kTqVSDooSeLCCC2/0211GVSV当当较大时，较大时，因此可以认为此时的因此可以认为此时的MOSMOS结构电容结构

43、电容CCo，即，即CCO1，不随偏置电压变化，如图不随偏置电压变化，如图5.12的的AB段段(积累状态积累状态)所示。所示。 也较大，上式分母中的第二项远小于也较大，上式分母中的第二项远小于1，GVGV若若不是足够大时，不是足够大时，CCo将随将随的减小而减小。的减小而减小。 在在VG0时，时，VS也等于零，归一化电容由式也等于零，归一化电容由式5.46代入式代入式5.57得到得到:C/CO1.0CFB/COA BC011SDooFBoLCCCCC将式将式5.39以及以及COox0/d代入上式，则可进一步得到代入上式，则可进一步得到:2/100)(11ASSxoFBNkTdqCC上式中上式中0

44、 x为二氧化硅的相对介电常为二氧化硅的相对介电常数，数，d为二氧化硅层的厚度，并认为为二氧化硅层的厚度，并认为pp0NA.由于式由于式5.60对应于对应于VG0，即，即平带状态，因此平带状态，因此CFBCO也称归一也称归一化平带电容。化平带电容。 0 VDE FG低频低频高频高频MOS结构的结构的C-V特性特性 积累积累耗尽耗尽反型反型 图图5-13是根据式是根据式5.60画出的理想画出的理想MOS结构结构CFBCO与氧与氧化层厚度以及衬底掺杂浓度的关系曲线。由于利用化层厚度以及衬底掺杂浓度的关系曲线。由于利用MOS结构结构CV特性测量表面参数时常需计算特性测量表面参数时常需计算CFBCO，因

45、此，因此图图5.13是很有用的。是很有用的。 当当VG0的电压使半导体表面多子耗尽但不足以反型时，的电压使半导体表面多子耗尽但不足以反型时，可将式可将式5.47代入式代入式5.57得到得到: 2/ 1000)2(11qpVdCCpSSSxo上式表示在耗尽状态，上式表示在耗尽状态，VG增大时，增大时，CCO将减小，如图将减小，如图5.12中的中的CD段段(耗尽状态耗尽状态)所示。所示。 当当VS2VB时，半导体表面为强反型状态，将式时，半导体表面为强反型状态，将式5.54代入代入式式5.57可得可得: 2/100)/exp(211kTqVpndLCCSppSDoxo由于此时由于此时VS2VBkT

46、/q,所以所以CCo趋近于趋近于1，即，即MOS结构的电容又近似为氧化层电容结构的电容又近似为氧化层电容Co，如图，如图5.12中的中的EF段段所示所示. 上式只适用于信号频率较低的情况，高频时，反型式只适用于信号频率较低的情况，高频时，反型层中电子的变化将跟不上信号电压的变化。因为反型尤层中电子的变化将跟不上信号电压的变化。因为反型尤其是强反型时，其是强反型时，反型层中的电子电荷对直流偏置电场起反型层中的电子电荷对直流偏置电场起屏蔽作用，耗尽层宽屏蔽作用，耗尽层宽 度达到极大值度达到极大值Wm，不再改变，不再改变。 因此因此MOS结构上的电压随交变电压增加或减小时只结构上的电压随交变电压增加

47、或减小时只能改变反型层电子的数目能改变反型层电子的数目p型半导体中电子是少子，由型半导体中电子是少子，由p型衬底流到表面的电子很少，因此反型层中电子数目主型衬底流到表面的电子很少，因此反型层中电子数目主要依靠耗尽层中电子要依靠耗尽层中电子空穴对的产生或复合以及通过界空穴对的产生或复合以及通过界面陷阱的产生和复合来改变。在反型层中有赖于上述产面陷阱的产生和复合来改变。在反型层中有赖于上述产生、复合过程的电子积累或被复合都有一段由非平衡载生、复合过程的电子积累或被复合都有一段由非平衡载流子寿命决定的弛豫时间，如果信号频率较高，就会使流子寿命决定的弛豫时间，如果信号频率较高，就会使反型层电荷的改变跟

48、不上信号电压的变化反型层电荷的改变跟不上信号电压的变化。 所以这时的所以这时的MOS结构电容应该是氧化层电容结构电容应该是氧化层电容CO与最宽耗尽层与最宽耗尽层的电容串联组合的电容串联组合,由于由于Wm不再随不再随VG变化变化,因此因此CCO也将不随也将不随VG改变改变,保持一最小归一化电容值保持一最小归一化电容值 CminCo.将将Cs=S0/Wm及及CO=0 x0/d代入式代入式5.57,可得可得: dWCCSmxo0min11高频反型时高频反型时,理想理想MOS结构的结构的C-V特性由图特性由图5-12中的中的DG段段描绘。描绘。 反型层中电子的来源是其电子反型层中电子的来源是其电子-空

49、穴对的产生空穴对的产生-复合过程，连少子都不是，因为反型层上面的氧复合过程，连少子都不是，因为反型层上面的氧化层和下面的耗尽层使反型层与外界隔绝，因此化层和下面的耗尽层使反型层与外界隔绝，因此其中电子浓度随外界交变信号变化只能通过热产其中电子浓度随外界交变信号变化只能通过热产生生-复合过程改变，而这个过程是十分缓慢的。复合过程改变，而这个过程是十分缓慢的。SiO2层反型层耗尽层中性区 左左图给出了在不同频率下测得的理想图给出了在不同频率下测得的理想MOS结构的结构的C-V特性，由图特性，由图可见当频率可见当频率f100Hz时，时，C-V曲线呈现低频特征。曲线呈现低频特征。 410 Hz1.00

50、.C/CO-15-10 -5 0 5 10 15 V/V1.0VG010Hz510 Hz210 Hz310 HzC/CO 信号频率对信号频率对C-V曲线的影响曲线的影响 N型衬底型衬底MOS结构的结构的C-V特性特性 以上所有结果对于以上所有结果对于n型衬底的型衬底的MOS结构同样适用，只要将有关的电结构同样适用，只要将有关的电压正压正,负以及相应各量的下标作一更动就可以了。负以及相应各量的下标作一更动就可以了。n型衬底理想型衬底理想MOS结构的结构的C-V曲线如右图所示曲线如右图所示,它与它与p型衬底理想型衬底理想MOS结构的结构的C-V曲线曲线是对称的。是对称的。 5.

51、3.3 实际实际MOS结构的电容结构的电容电压特性电压特性 在所有在所有MOS结构中，得到最广泛深入研究的是金属结构中，得到最广泛深入研究的是金属-氧化硅氧化硅-硅系硅系统统,这种系统的这种系统的C-V特性与理想特性与理想MOS结构比较接近。但就常用的金结构比较接近。但就常用的金属电极而言，金属与硅的功函数差一般不为零，在属电极而言，金属与硅的功函数差一般不为零，在SiO2层内及层内及 SiO2-Si界面上有各种电荷存在，因此实际界面上有各种电荷存在，因此实际MOS结构与理想结构与理想MOS结结构在电特性方面还存在一定差异。构在电特性方面还存在一定差异。 半导体的功函数半导体的功函数qs是真空

52、能级与费米能级之间的能量差，它是真空能级与费米能级之间的能量差，它与与半导体的掺杂浓度有关半导体的掺杂浓度有关。对于一种具有确定功函数值的金属，要改。对于一种具有确定功函数值的金属，要改变它与半导体的功函数差，变它与半导体的功函数差，qms=qm-qs,只能寄希望于改变半导体只能寄希望于改变半导体的掺杂浓度的掺杂浓度.qm=4.1 eV的铝是最普通的金属电极之一，另一用途较的铝是最普通的金属电极之一，另一用途较为广泛的材料是重掺杂多晶硅。为广泛的材料是重掺杂多晶硅。n+多晶硅的功函数为多晶硅的功函数为 3.96eV。 下图表明了铝下图表明了铝-硅及硅及n+多晶硅多晶硅硅的功函数差与硅中硅的功函

53、数差与硅中掺杂浓度掺杂浓度ND的关系。图中所示各功函数差的关系。图中所示各功函数差qms都为负值，都为负值，绝对值最大的是绝对值最大的是n+多晶硅对多晶硅对p型硅的功函数差。型硅的功函数差。 1410161015100-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.217101810铝铝-硅及硅及n+多晶硅多晶硅-硅的功函数差与硅中掺杂浓度硅的功函数差与硅中掺杂浓度ND的关系的关系 功函数差的影响功函数差的影响qmqs，电子从，电子从A1流向流向Si，半导体表面形成负空间电荷，铝电极则，半导体表面形成负空间电荷，铝电极则因失去电子而带正电，在因失去电子而带正电，在SiO2层及层及Si表面层形成一

54、由表面指向内部的表面层形成一由表面指向内部的接触电势接触电势ms，这一接触电势也将使，这一接触电势也将使p型半导体表面处能带向下弯曲，型半导体表面处能带向下弯曲，硅内部的费米能级相对于金属费米能级提高，最终使系统在硅内部的费米能级相对于金属费米能级提高，最终使系统在VG=0时有时有统一的费米能级，如图统一的费米能级，如图b所示，图所示，图a则为分列于则为分列于SiO2层两侧的金属与半层两侧的金属与半导体的独立能带导体的独立能带(金属与半导体之间没有连接金属与半导体之间没有连接)，它们都是平直的。，它们都是平直的。 mqECEVEFEisqd真空能级真空能级金属金属mqECEVEFEisqd真空

55、能级真空能级金属金属P型型SiSiSiO2P型型SiSiEFEFa:分列于分列于SiO2两侧的金属和半导体能带两侧的金属和半导体能带 b:VG=0时的能带时的能带 比较上图比较上图a和和b可见，半导体的电子势能相对金属提高了可见，半导体的电子势能相对金属提高了,这表明虽然外这表明虽然外加偏压加偏压VG=0，但由于金属与半导体的功函数不同会使半导体表面层能，但由于金属与半导体的功函数不同会使半导体表面层能带弯曲，即不处于平带状态为了使系统恢复到平带状态，必须在金属带弯曲，即不处于平带状态为了使系统恢复到平带状态，必须在金属与半导体之间加一定的与半导体之间加一定的负电压负电压，使它能抵消掉由于功函

56、数差造成的表面，使它能抵消掉由于功函数差造成的表面能带弯曲。这一能带弯曲。这一使系统恢复到平带状态的负电压使系统恢复到平带状态的负电压VFB称为平带电压称为平带电压 (Flat-band),显然显然:qVmsmsFBC/CO1.0 0 V金属金属-半导体功函数差对半导体功函数差对MOS结构结构C-V特征的影响特征的影响 （a）（b）VFB由此也可看出，由于金属由此也可看出，由于金属与半导体功函数差的存在与半导体功函数差的存在将使将使MOS结构结构C-V曲线的曲线的平带点移到平带点移到VVFB处。曲处。曲线线(a)对应于理想对应于理想MOS结结构的构的C-V曲线，曲线，(b)对应于对应于存在金属

57、存在金属-半导体功函数差半导体功函数差的情形。曲线的情形。曲线(b)的平带点的平带点相对于相对于(a)的平带点向负电的平带点向负电压方向平移了压方向平移了VFB。氧化层电荷的影响氧化层电荷的影响 除了功函数差之外，平衡除了功函数差之外，平衡MOS结构还会受到氧化层电荷和结构还会受到氧化层电荷和Si-SiO2界面陷阱等的影响界面陷阱等的影响.这些电荷与陷阱的基本类型及分布如图所示。其中这些电荷与陷阱的基本类型及分布如图所示。其中有有SiO2层中的层中的可动离子电荷可动离子电荷(Mobile ionic charge)Qm，SiO2层中的层中的固定固定氧化层电荷氧化层电荷(Fixed oxide

58、Charge)Qf,氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷(Oxide Trapped charge)Qot,以及以及界面陷阱电荷界面陷阱电荷(Interface trapped charge)Qit. aNMetalSiO2SiSiO2-Si中的电荷和陷阱中的电荷和陷阱 K(Qm)+ + +- - -(Qot)+(Qf)(Qit) 钠或其它碱金属离子在钠或其它碱金属离子在Si02层中成为可动离子电荷。它们层中成为可动离子电荷。它们在偏压在偏压-温度的作用下会在温度的作用下会在SiO2层中迁移，于是引起层中迁移，于是引起C-V曲线沿着电压轴移动，对器件的稳定性造成不良影响。曲线沿着电压轴移动，对器件的稳

59、定性造成不良影响。主要来自工艺过程中使用的各种试剂、器皿甚至人体污主要来自工艺过程中使用的各种试剂、器皿甚至人体污染等（染等（正电荷正电荷）。）。 氧化层固定电荷位于氧化层固定电荷位于Si-SiO2界面界面30附近，一般情况下，附近，一般情况下， Qf是正的并依赖于氧化和退火条件以及硅单晶的取向。通是正的并依赖于氧化和退火条件以及硅单晶的取向。通常认为氧化停止时会有一些硅离子遗留在界面附近，这常认为氧化停止时会有一些硅离子遗留在界面附近，这些离子随同界面上未完成的硅键些离子随同界面上未完成的硅键(如如Si-Si或或Si-O键键)可导致可导致正的正的固定氧化层电荷。固定氧化层电荷。 界面陷阱界面

60、陷阱Qit存在于存在于Si-Si02界面上，其能态位于硅的禁带界面上，其能态位于硅的禁带之中。它们可以是一些分立的或连续的能态。之中。它们可以是一些分立的或连续的能态。Qit与硅单与硅单晶的晶向有关（晶的晶向有关（正电荷正电荷） 。 当电荷分布为一薄层时当电荷分布为一薄层时 设氧化层中有一设氧化层中有一正的正的薄层电荷，其单位面积上的电量为薄层电荷，其单位面积上的电量为Qo。无外加。无外加电场时它在金属和半导体中分别感应出负电荷，为了达到平带条电场时它在金属和半导体中分别感应出负电荷，为了达到平带条件件(即在半导体表面不因即在半导体表面不因Qo的存在而产生感应电荷的存在而产生感应电荷)，必须在