场效应器件物理 MOS结构

西安电子科技大学XIDIANUNIVERSITY10.金属氧化物半导体场效应晶体管基础10.1双端MOS结构2023/1/151场效应器件物理2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容本节内容1.1.1能带图1.1.2耗尽层厚度1.1.3电荷分布1.1.4功函数差1.1.5平带电压1.1.6阈值电压2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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Sin型Si或p型SiSiO2MOS结构具有Q随V变化的电容效应，形成MOS电容2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容平行板电容平行板电容：上下两金属极板，中间为绝缘材料单位面积电容:C`=外加电压V，电容器存储的电荷：Q=，氧化层两侧电场E=MOS结构：具有Q随V变化的电容效应，

形成MOS电容2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容实际的铝线-氧化层-半导体（M:约10000AO:250AS:约0.5~1mm）2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容理想MOS电容结构特点绝缘层是理想的，不存在任何电荷，绝对不导电；半导体足够厚，不管加什么栅电压，在到达接触点之前总有一个零电场区（硅体区）绝缘层与半导体界面处不存在界面陷阱电荷；金属与半导体之间不存在功函数差。2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容能带图能带图：描述静电偏置下MOS结构的内部状态，分价带、导带、禁带晶体不同，能带结构不同，能带宽窄，禁带宽度大小不同金属（价带、导带交叠：EF）、氧化物（Eg大）、半导体（Eg小）半导体掺杂类型不同、浓度不同，EF的相对位置不同导带底能级禁带中心能级费米能级价带顶能级2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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负栅压——多子积累状态金属一侧积累负电荷，半导体一侧感应等量正电荷外栅压产生从半导体指向金属的电场电场作用下，体内多子顺电场方向被吸引到S表面积累能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯，2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

表面能带图:p型衬底(1)零栅压情形零栅压—平带状态理想MOS电容：绝缘层是理想的，不存在任何电荷；Si和SiO2界面处不存在界面陷阱电荷；金半功函数差为0。系统热平衡态，能带平，表面净电荷为02023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

表面能带图:p型衬底(2)小的正栅压情形(耗尽层)小的正栅压——多子耗尽状态电场作用下，表面多子被耗尽，留下带负电的受主离子，不可动，且由半导体浓度的限制，形成一定厚度的负空间电荷区xd能带变化：P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯

xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度正栅压↑，增大的电场使更多的多子耗尽，xd↑，能带下弯增加2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

表面能带图:p型衬底(2)大的正栅压——反型状态能带下弯程度↑，表面EFi到EF下，表面具n型。栅压增加，更多的多子被耗尽，P衬表面Na-增多，同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面出现电子积累，反型层形成栅压↑，反型层电荷数增加，反型层电导受栅压调制阈值反型后，xd↑最大值XdT不再扩展。大的正栅压情形2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形零栅压情形2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

表面能带图:n型衬底(2)(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型小的负栅压情形大的负栅压情形2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1.1能带图

需掌握内容N型和P型半导体表面状态随外加栅压的物理变化过程会画相应各状态能带图2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1.2耗尽层厚度

本节内容耗尽层厚度公式耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因半导体表面状态和表面势的关系空间电荷层电荷与表面势的关系2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

空间电荷区厚度:表面耗尽情形费米势：半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势表示，表面势：半导体表面电势与体内电势之差，能级的高低代表了电子势能的不同，能级越高，电子势能越高表面能带有弯曲，说明表面和体内比：电子势能不同，即电势不同，采用单边突变结的耗尽层近似，耗尽层厚度：P型衬底禁带中心能级费米能级2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

表面电荷面电荷密度一块材料，假如有均匀分布的电荷，浓度为N，表面积为S，厚度为d材料总电荷：Q=表面S单位面积内的电荷（面电荷密度）：Q`=MOS电容，耗尽层和反型层均在氧化层下方产生，表面积即栅氧化层面积耗尽层电荷面电荷密度：Q`SD=eNaXd反型层电荷面电荷密度：

Q`inv=ensXnSdNd2023/1/15XIDIANUNIVERSITYΦs大小S表面状态S表面电荷QS随Φs的关系Φs<0

多子积累Q`S∝exp(Φs/Vt)Φs=0平带0<Φs<Φfp

耗尽Q`SD(Na-）∝Φs1/2Φs=Φfp

本征Q`SD(Na-）Φfp<Φs<2Φfp0<Φfn<Φfp弱反型Q`SD

∝Φs1/2Q`inv∝exp(Φs/Vt)Φs>＝2ΦfpΦfp<Φfn强反型Q`SD

∝Φs1/2Q`inv∝exp(Φs/Vt)1.1MOS电容表面空间电荷层电荷与表面势的关系2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容表面反型层电子浓度与表面势的关系反型层电荷浓度：随表面势指数增加P型衬底阈值反型点：表面势=2倍费米势，表面处电子浓度=体内空穴浓度阈值电压：使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

空间电荷区厚度:表面反型情形阈值反型点表面电荷特点：浓度：

ns=PP0；厚度：

反型层厚度Xinv<<耗尽层厚度Xd反型层电荷Q`inv=ensXinv<<Q`dep=eNaXdP型衬底例如：若Na=1016/cm3，栅氧厚度为30nm，计算可得：Φfp=0.348V，Xd≈0.3μm，Xd≈4nm，由此得Q`dep=-5.5×10-8/cm2,Q`inv=-6.5×10-10/cm2因此表面电荷面密度为：Q`-=Q`dep+Q`inv≈Q`dep2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

表面能带图:p型衬底(2)阈值反型后，VG↑半导体表面进入强反型状态

xd达到最大值XdT不再扩展：表面处总的负电荷面密度Q`-=Q`dep+Q`inv阈值反型点后，若VG↑→ΦS↑（相对变大）反型层电子电荷浓度在ns=PP0基础上随ΦS指数迅速大量增加而Q`dep与ΦS1/2,ΦS较大时，Q`dep增加微弱，近似不变→表面耗尽层宽度Xd基本不变，在阈值反型点开始达到最大XdTMOS电容，阈值反型后，表面负电荷的增加主要由反型电子贡献Q`dep=eNaXd，

2023/1/151.1MOS电容表面反型层电子浓度与表面势的关系2023/1/15XIDIANUNIVERSITY阈值反型点后：表面势增加0.12V，则ns=100PP0，而Xdep只增加约8%，很小2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

空间电荷区厚度:n型衬底情形费米势半导体衬底施主掺杂浓度n型衬底阈值反型点：表面势=2倍费米势，表面处空穴浓度=体内电子浓度阈值电压：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2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1.2耗尽层厚度

需掌握内容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公式半导体表面状态和表面势的关系阈值反型点的定义常用器件掺杂范围2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1.4功函数差

本节内容功函数和功函数差定义功函数差对半导体表面的影响N+POLY或P+POLY与硅的功函数差常用结构的功函数概况2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS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硅的电子亲和能功函数：起始能量等于EF的电子，由材料内部逸出体

外到真空所需最小能量。金属的功函数：半导体的功函数金半功函数差（电势表示）XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

功函数差:MOS结构的能带图2023/1/15修正的金属功函数修正的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2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

功函数差:MOS结构的能带图MOS紧密接触，假设有外部导线连接M和S,

MOS成为统一的电子系统，

0栅压下热平衡状态的能带图？MOS成为统一系统，0栅压下热平衡状态有统一的EF

SiO2的能带倾斜半导体一侧能带弯曲变化原因：金属半导体Φms不为02023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

功函数差:MOS结构的能带图条件：零栅压，热平衡接触之后能带图的变化过程：EF代表电子填充能级的水平，电子趋于填充低能级MOS变为一个统一电子系统后，发生电子的转移，直到EF统一能带下弯：半导体一侧电子增多SiO2的能带倾斜：金属电子通过外导线到了半导体表面，则金属带正电，

半导体表面带负电零栅压下氧化物二侧的电势差零栅压下半导体的表面势2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

功函数差:计算公式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函数差。2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

功函数差:n＋掺杂多晶硅栅<0简并：degenerate退化，衰退P-Si近似相等n+掺杂至简并2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

功函数差:p＋掺杂多晶硅栅≥0p+掺杂至简并2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

功函数差:n型衬底情形负栅压的大小2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

功函数差:与掺杂浓度的关系2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1.4功函数差

需掌握内容功函数和功函数差定义MOS系统接触前的能带图MOS系统接触后的能带图变化和原因不用金属,而用N+POLY或P+POLY功函数差如何算?常用结构的功函数概况2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1.5平带电压

本节内容半导体表面能带弯曲可能原因和物理过程平带电压定义平带电压推导平带电压影响因素2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

平带电压:能带弯曲的动因MOS结构中半导体表面能带弯曲的动因金属与半导体之间加有电压（栅压）半导体与金属之间存在功函数差氧化层中存在的正电荷可动电荷：工艺引入的金属离子陷阱电荷：辐照界面态：SiSio2界面Si禁带中的能级氧化层中SiSio2界面存在的正的固定电荷2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

平带电压:固定电荷的影响SiSiO2界面存在的正的固定电荷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。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。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SiSiO2界面的形成有关，界面存在过剩硅离子2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

平带电压:固定电荷成因氧化层内的所有正电荷总的面电荷密度用QSS`等效，位置上靠近氧化层和半导体界面QSS`对MOS系统的影响正Qss`在M和S表面感应出负电荷S表面出现负电荷（耗尽的Na-、电子），能带下弯，P衬表面向耗尽、反型过渡MOS电容电荷块图：采用方形块近似表示电荷分布，上为正电荷，下为负电荷若金属和半导体内部电场为0，根据高斯定律，器件中的总电荷必须为0，即正负电荷的面积应相等2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容能带弯曲的原因0栅压下半导体表面能带弯曲的原因半导体与金属之间存在功函数差氧化层中存在的正电荷思考：如何让弯曲的能带变平？2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

平带电压:定义平带电压VFB

（flat-bandvoltage）定义：使半导体表面能带无弯曲需施加的栅电压作用：抵消金属与半导体之间的功函数差和氧化层中的正电荷对半导体表面的影响电中性条件：Q`m+

Q`ss

=0等势体金属和半导体体区电场为0，根据高斯定律，器件中正负电荷相等2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

平带电压:公式Vox0+s0=-

ms若

ms<0，因Q`ss>0，则VFB<0,如果没有功函数差及氧化层电荷,平带电压为多少?2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1.5平带电压

需掌握内容平带电压定义半导体表面能带弯曲可能原因和物理过程平带电压推导过程和公式XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

阈值电压:主要内容2023/1/15XIDIANUNIVERSITY阈值电压定义阈值电压表达式和推导阈值电压影响因素阈值电压正负和器件类型的关系XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

阈值电压:定义2023/1/15XIDIANUNIVERSITY阈值电压：半导体表面达到阈值反型点时所需的栅压VG，

VT：VTN,VTP下标N/P指的是反型沟道的导电类型半导体表面强反型，导电能力强，可认为MOSFET沟道形成VG≥VTN：Φs≥2Φfp，衬底表面强反型，沟道形成，器件导通VG<VTN：Φs<2Φfp，衬底表面未强反型，沟道未形成，器件截止表面势=费米势的2倍1.1MOS电容阈值电压影响因素VTN是MOSFET强反型沟道是否存在的临界点，重要参数VTN越小越好，可减小工作电压，降低功耗不能太小，否则器件的开和关不好控制XIDIANUNIVERSITY2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容

阈值电压:公式推导功函数差Vox0+s0=-

ms|Q'SDmax|=eNaXdTXIDIANUNIVERSITY2023/1/151.1MOS电容阈值电压影响因素:栅电容COX影响：COX越大，则VTN越小；物理过程：COX越大，同样VG在半导体表面感应的电荷越多，阈值反型点（半导体表面的负电荷总量不变）所需VG越小，易反型COX提高途径：45nm工艺前，减薄栅氧化层厚度;45nm工艺后，选择介电常数大的绝缘介质XIDIANUNIVERSITY2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容阈值电压影响因素:掺杂浓度|Q'SDmax|=eNaXdTNa影响：Na越小，则VTN越小；物理过程：Na越小，达到反型所需耗尽的多子越少，

Q'SDmax越小，半导体表面易反型。

问题：假定半导体非均匀掺杂，影响VT的是哪部分半导体的浓度？氧化层下方的半导体掺杂浓度影响VT可通过离子注入改变半导体表面的掺杂浓度，调整VT。2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容阈值电压影响因素:氧化层电荷QSS`影响：QSS`越大，则VTN越小；物理过程：QSS`越大，其在半导体表面感应出的负电荷越多，达到反型所需栅压越小，易反型注意：QSS`对VT影响的大小与衬底掺杂浓度有关，Na

越大，QSS`的影响越小。2023/1/15XIDIANUNIVERSITY1.1MOS电容阈值电压影响因素:功函数差影响：越负，则VTN越小；物理过程：越负，往半导体表面转移的负电荷越多，