金氧半二极体电晶体及其电性讨论1.pptx
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1、MOSFETl為一四端元件,。l由一個MOS二極體與兩個相鄰的pn接面所構成。l為積體電路中最重要的電路元件,因為比起相同功能的BJT(雙極性電晶體):面積小,可增加積體電路密度。製程步驟較少,製造成本較低。製成CMOS(NMOS+PMOS),功率消耗更低。6.1 MOS二極體l為MOSFET的核心部分:由上往下之材料分別為金屬、氧化層及半導體。氧化層的厚度通常Si底材是接地的,故金屬對於歐姆接面為正偏壓時,V為正;反之,V為負。6.1.1 The Ideal MOS Diode理想的MOS二極體定義:l在在沒沒有有外外加加偏偏壓壓時時(即即熱熱平平衡衡狀狀態態),金金屬屬功功函函數數q m和
2、和半半導導體體功功函函數數q s的的能能量量差差為為零零,即即功功函函數數差差q ms等等於零。於零。其中qB:為費米能階EF和本質費米能階Ei的能量差 q:半導體電子親和力換換句句話話說說,當當無無外外加加偏偏壓壓,能能帶帶是是平平的的(稱稱為為平平帶帶狀狀態態flat band condition)。理想的MOS二極體能帶圖閘極無偏壓時(V=0)的p-type半導體MOS二極體的能帶圖理想的MOS二極體定義(續)l於於任任意意偏偏壓壓下下,二二極極體體裡裡的的電電荷荷只只有有半半導導體體電電荷荷和和靠靠近近氧氧化化層層的的金金屬屬表表面面電電荷荷兩兩種種,二二者者的的電電量量相相同同但極性
3、相反。但極性相反。l在在DC偏壓下,沒有載子流偏壓下,沒有載子流過氧化層,即氧化層的電過氧化層,即氧化層的電阻是無限大。阻是無限大。l綜合以上所述,可知理想綜合以上所述,可知理想的的MOS二極體相當於一個二極體相當於一個平行板電容器的特性平行板電容器的特性非平衡狀態下之能帶圖(p型)l當偏壓不為零時,能帶圖兩側因下拉、上移會彎曲。l半導體的載子密度和能量差呈指數關係,如下式l能帶圖彎曲使EF與Ei的差改變,形成以下之情形:聚積(accumulation):V 0反轉(inversion):V 0非平衡狀態下之能帶圖(p型)V 0,因電洞遠離表面,故形成空乏區。EF更遠離Ev,故電洞減少,剩下固
4、定的受體離子V越大,W越大。非平衡狀態下之能帶圖(p型)(續)V 0時,EF遠離Ev且EF已超過Ei,此種情形為n型之能帶,故p型半導體表面之載子變為電子,稱為反轉。非平衡狀態下之能帶圖(n型)V 0時,EF遠離Ec且EF已超過Ei,此種情形為p型之能帶,故n型半導體表面之載子變為電洞。非平衡狀態下之能帶圖(p型)ls0:電洞聚積ls0:平帶狀況lBs0:電洞空乏ls=B:ns=np=nilsB:反轉ls2B:強反轉s:表面電位當表面電子濃度ns=Na時,稱為強反轉。bulk由半導體電子濃度公式可得空乏區寬度l在空乏與反轉狀態下都有空乏區。l同n+p接面之電荷、電場、電位分析,可知l當強反轉時
5、,偏壓略有改變,電子濃度會大量增加(指數函數關係),故空乏區電荷的改變不大,可說此時空乏區寬度已達最大值。空乏區寬度與摻雜濃度關係 摻雜濃度越高,空乏區寬度越小。理想MOS曲線l沒有功函數差時,外加偏壓跨在氧化層及半導體上。其中理想MOS曲線(C-V圖)聚積情形下,負偏壓加的越多,累積在半導體表面的電洞濃度增加,同時金屬層表面感應之負電荷也增加,電壓僅跨在氧化層上。故MOS的單位面積電容只是氧化層電容:.為定值理想MOS曲線(C-V圖)l空乏情形下,正偏壓加的越多,半導體空乏區寬度增加,同時金屬層表面感應之正電荷也增加。電壓跨在氧化層與空乏區上。故相當於氧化層電容與半導體的接面電容串聯起來:V
6、越大,空乏區寬度越大,Cj越小,C(depl)越小空乏情形下之CV圖其中:由式(9)、(13)、(14)、(15),消去W可得:V越大,電容值會下降理想MOS曲線(C-V圖)(續)l 反轉情形下,電荷的變化受頻率的影響。在低頻情形下,正偏壓加的越多,半導體空乏區寬度不變(Wm),固定受體離子不變,增加的是半導體表面的反轉電子濃度,同時金屬層表面感應之正電荷也增加。此時的外加電壓稱為臨界電壓:理想MOS曲線(C-V圖)(低頻)剛剛反轉之點,反轉電子為零,空乏區寬度達最大值。故MOS的單位面積電容只是氧化層電容:理想MOS曲線(C-V圖)(高頻)l高頻下的反轉情形,屬於少數載子的反轉電子無法及時反
7、應,空乏區的寬度也無太明顯的變化,所以電容不會增加,維持在最低值。理想MOS曲線(C-V圖)(n型半導體)6.1.2 SiO2-Si MOS 二極體l電特性最接近理想MOS二極體。l與理想二極體最大差異:a.金屬電極與半導體之功函數差qms不為零;b.氧化層中或介面處有電荷存在。l所以熱平衡時的半導體區之能帶圖有彎曲,不為平帶情形(flat-band condition)。ms與使半導體恢復平帶狀況之電壓(平帶電壓flat-band voltage)為所關心之量。功函數差功函數:真空能階與費米能階差平衡狀態下(無偏壓),半導體能帶為彎曲的。常用電極材料:鋁:功函數為4.1e.vn+複晶矽:功函
8、數為4.05e.vp+複晶矽:功函數為5.05e.v功函數差和電極材料與基板摻雜濃度有關平帶電壓(Flat-band voltage)l定義:使半導體區之能帶無彎曲所施加的閘極電壓。l加閘極電壓,跨於氧化層及半導體的表面電位會改變:即ms即半導體層內無電荷存在氧化層電荷:l可區分為四種電荷:1.介面捕獲電荷(Qit)2.固定氧化物電荷(Qf)3.氧化層陷住電荷(Qot)4.可動離子電荷(Qm)介面陷住電荷Qit (interface trapped charge)產生原因:起因於Si-SiO2介面的不連續性及介面上的未飽和鍵。通常Qit的大小與介面化學成分有關。改善方法:於矽上以熱成長二氧化矽
9、的MOS二極體使用低溫(約450)氫退火來中和大部分的介面陷住電荷,或選擇低阻陷的晶片(即(100)晶片)。固定氧化層電荷Qf (fixed oxide charge)產生原因:當氧化停止時,一些離子化的矽就留在介面處(約30處)。這些離子及矽表面上的不完全矽鍵結產生了正固定氧化層電荷Qf。改善方法:可藉由氧化製程的適當調整,或是回火(Annealing)來降低其影響力或是選擇較佳的晶格方向。氧化層陷住電荷Qot(oxide trapped charge)產生原因:主要是因為MOS操作時所產生的電子電洞被氧化層內的雜質或未飽和鍵所捕捉而陷入。改善方法:可利用低溫回火消除掉。可移動離子電荷Qm
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