21-第六章-6.1-理想MOS结构的表面空间电荷区解析

PhysicsofSemiconductorDevices抱负MOS构造的外表空间电荷区§6.1半导体器件物理MOSFET：Metal-Oxide-SemiconductorField-effecttransistor前言：金属-氧化物-半导体场效应晶体管〔MOSFET〕是微处理器、半导体存储器等超大规模集成电路中的核心器件和主流器件，也是一种重要的功率器件。场效应晶体管〔FieldEffectTransistor，缩写为FET〕是一种电压把握器件。其导电过程主要涉及一种载流子，故也称为“单极”晶体管。一构造与工作原理MOSFET构造示意图1、当一个导体靠近另一个带电体时，在导体外表会引起符号相反的感生电荷。外表空间电荷层和反型层实际上就属于半导体外表的感生电荷。在N型半导体的栅上加正电压(a)和在P型半导体的栅上加负电压(b)，所产生的感生电荷是被吸引到外表的多数载流子，这一过程在半导体体内引起的变化并不很显著，只是使载流子浓度在外表四周较体内有所增加。一构造与工作原理2、在N型半导体的栅上加负电压(c)和在P型半导体的栅上加正电压(d)，所感生的电荷与(a)、(b)相反，电场的作用使多数载流子被排斥面远离外表，从面在外表形成耗尽层，和PN结的情形类似，这里的耗尽层也是由电离施主或电离受主构成的空间电荷区。由于外加电场的作用，半导体中多数载流子被排斥到远离外表的体内，而少数载流子则被吸引到外表。少子在外表四周聚拢而成为外表四周区域的多子，通常称之为反型载流子。反型载流子在外表构成了一个称为反型层的导电层。当在栅电极上加正电压时，既有从半导体外表排斥走空穴的作用，又有吸引少子(电子)到半导体外表的作用。在开头加正电压时主要是多子空穴被赶走而形成耗尽层，同时产生外表感生电荷——由电离受主构成的负空间电荷区，这时虽然有少子(电子)被吸引到外表，但数量很少，在这一阶段中，电压增加只是使更多的空穴被排斥走，负空间电荷区加宽。随着电压的加大，负空间电荷区渐渐加宽，同时被吸引到外表的电子也随着增加。开头，外表电子的增加与固定的空间电荷相比，根本上可以无视不计(耗尽层近似)。但是当电压到达某一“阈值”时，吸引到外表的电子浓度快速增大，在外表形成一个电子导电层，即反型层。在MOSFET中称之为沟道，电子导电的反型层称为N沟道。反型层消逝后，再增加电极上的电压，主要是反型层中的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷根本上不再增加。加有偏压的MOSFET在栅电压为0的条件下，假设漏、源之间加上电压UDS，则漏端PN结为反偏，将只有很小的反偏PN结电流从漏极流到源极，但是假设栅极加上确定的电压时，外表形成了沟道，它将漏区与源区连通，在UDS作用之下就消逝明显的漏极电流，而且漏极电流的大小依靠于栅极电压。MOSFET的栅极和半导体之间被氧化硅层阻隔，器件导通时只有从漏极经过沟道到源极这一条电流通路。MOSFET是一种典型的电压把握型器件二半导体外表空间电荷区①在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷②金属和半导体之间的功函数差为零③SiO2层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过抱负MOS构造假设：即使有外加电压，外表空间电荷区也处于热平衡状态，使得整个外表空间电荷区中费米能级为常数。因此：MOS电容器典型金属-氧化物-半导体构造+ℰ0为SiO2层的内建电场，QM为金属极板上的电荷，则半导体外表感应电荷为QS=－QM。在外电场的作用下，在半导体外表形成具有相当厚度的空间电荷区，它对电场起到屏蔽作用。空间电荷区的形成是由于自由载流子的过剩或欠缺以及杂质能级上电子浓度的变化引起的。电场从半导体外表到内部渐渐减弱，直到空间电荷区内边界上根本全部被屏蔽而为零。则每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系：半导体外表电场在空间电荷区中电场的消逝使半导体外表与体内之间产生电位差，半导体外表的电势，称为外表势S。在加上电压VG时，外加电压VG为跨越氧化层的电压V0和外表势S所分摊，即有：金属-氧比物和P型半导体的电位分布图空间电荷区半导体内部边界V0

SVG三载流子的积存、耗尽和反型空间电荷区静电势φ(x)的消逝转变了空间电荷区中的能带图。依据VG极性和大小，有可能实现三种不同的外表状况：①载流子积存；②载流子耗尽；③半导体外表反型。当紧靠硅外表的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时，称为载流子积存。当金属电极上加负电压时，在半导体外表形成负外表电势φS，外表空间电荷区中能带向上弯曲，由于费米能级EF保持常数，能带向上弯曲使接近外表处有更大的Ei-EF，与体内相比，在外表处有更高的空穴浓度和更低的电子浓度，使空穴在外表积存，增加外表的电导率。1.载流子的积存当金属电极上施加正偏压VG时，外表势φS为正，空间电荷区中能带向下弯曲，准费米能级能级Ei靠近费米能级EF，(Ei–EF)值减小，外表空穴浓度低于体内热平衡值，造成多数载流子空穴的耗尽，少数载流子电子有所增加。当由于平衡少子数目微小，因此，少子数目照旧可以无视。空间电荷由没有空穴中和的固定的受主离子构成。2.载流子耗尽单位面积下的总电荷QS为:承受耗尽近似，依据泊松方程有：外表势3.载流子反型在耗尽根底上进一步增加偏压VG，MOS系统半导体外表空间电荷区中的能带进一步下弯。大的能带弯曲使硅外表及其四周的禁带中心能量Ei超越恒定的费米能级，即来到费术能级EF的下面。由于少数载流子电子浓度高于本征载流子浓度，而多数载流子空穴的浓度低于本征载流子浓度。这一层半导体由P型变成N型，称为反型层，即载流子反型。Ei>EF，仍为P型Ei<EF，为N型xIΔ当外加电压VG撤掉之后，反型层消逝，PN结也随之消逝。这种PN结称为物理PN结，是场感应结。四反型和强反型的条件设半导体体内本征费米能级为Ei0，则空间电荷区内：在半导体外表处有：令：为半导体内的费米势则可以得到：或或当nS=ni时，半导体外表呈现本征状态，此后，再增加φS，半导体外表就会发生反型，则有：说明：当外表势等于体内费米势时，半导体外表开头反型。反型条件强反型条件但除非EiS低于EF很多，否则电子浓度很低，这种现象叫做弱反型；对于大多数MOSFET运用来说，希望确定一种条件，在超过它之后，反型层中的电子电荷浓度相当高，规定当外表电子浓度等于体内平衡多子空穴浓度时，半导体外表形成强反型层，这称为强反型条件，令nS=p0，可得：强反型时的外表势强反型时的能带图实现强反型之后，假设连续增加偏压VG，能带弯曲并不显著增加。这是由于：导带电子在很薄的强反型层中快速增加以屏蔽外电场，从而使空间电荷区的势垒高度、固定的受主负电荷以及空间电荷区的宽度根本保持不变。EiS强反型时相应的感生PN结耗尽