半导体器件物理-MOSFET

西安电子科技大学XIDIDIANUNIVERSITY第四章MOS场效应晶体管MOSFET的预备知识

2023/2/61场效应器件物理2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOSFET的预备知识MOS电容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2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOSFET的预备知识平行板电容平行板电容：上下金属极板，中间为绝缘材料单位面积电容：外加电压V，电容器存储的电荷：Q=CV，氧化层两侧电场E=V/dMOS结构：具有Q随V变化的电容效应，

形成MOS电容2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOSFET的预备知识能带图能带结图：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2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOSFET的预备知识表面势和费米势费米势：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，电子势能越高如果表面能带有弯曲，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2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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材料总电荷为Q=表面S单位面积内的电荷（面电荷密度）Q`=SdN2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容

表面能带图:p型衬底(1)负栅压情形负栅压——多子积累状态电场作用下，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，<02023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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02023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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Na-，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，>0

xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度半导体表面处，耗尽层面电荷密度Q`dep=eNaxd正栅压↑，增大的电场使更多的多子耗尽，xd↑，能带下弯增加2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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，增大，更多的多子被耗尽，Q`dep

（=eNaxd）增加同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面反型电子Qinv积累，反型层形成反型层电荷面密度Q`inv=ensxinv栅压↑，反型层电荷数Qinv增加，

反型层电导受栅压调制大的正栅压情形2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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：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2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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`dep2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容表面反型层电子浓度与表面势的关系阈值反型点后，VG增加：表面处可动电子电荷浓度在ns=PP0基础上指数迅速大量增加：→表面势增加0.12V，则ns=100PP0，而Xdep只增加约8%，很小，原因？2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容

表面能带图:p型衬底(2)阈值反型后，xd↑最大值XdT不再扩展：表面处总的负电荷面密度Q`-=Q`dep+Q`inv强反型后，若VG进一步↑→ΦS↑→表面处可动电子电荷浓度在ns=PP0基础上指数增加→表面处负电荷的增加△Q-主要由△ns贡献→Qdep基本不变→表面耗尽层宽度Xd基本不变，在阈值反型点开始达到最大XdT强反型后，增加的VG基本上用于改变栅氧化层两侧压降VOX，反型电荷Q`n=COX(VG-VT)增多，Фs改变量很小，耗尽层电荷近乎不变2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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MOS电容电荷块图：采用方形块近似表示电荷分布若金属和半导体内部电场为0，根据高斯定律，MOS器件中的总电荷必须为0，即正负电荷的面积应相等2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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）2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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：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原因：金属半导体Φms不为0零栅压下氧化物二侧的电势差零栅压下半导体的表面势2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容

平带电压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2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容

平带电压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?平带电压VFB

：使半导体表面能带无弯

曲需施加的栅电压,抵消金属与半导体之间的功函数差和氧化层正电荷对半导体表面的影响4.0MOS电容

平带电压XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容

阈值电压:定义2023/2/6XIDIANUNIVERSITY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半导体表面强反型，可认为MOSFET沟道形成VG<VTN：Φs<2Φfp，衬底表面未强反型，沟道未形成VG>=VTN：Φs>=2Φfp，衬底表面强反型，沟道形成表面势=费米势的2倍XIDIANUNIVERSITY2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS电容

阈值电压:公式推导功函数差Vox0+s0=-

ms|Q'SDmax|=eNaXdTXIDIANUNIVERSITY2023/2/64.0MOS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，

达到阈值反型点所需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XIDIANUNIVERSITY2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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。2023/2/6XIDIANUNIVERSITY4.0MOS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