半导体物理基础MOS.pptx
《半导体物理基础MOS.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《半导体物理基础MOS.pptx(76页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第六章第六章 金属金属氧化物氧化物半导体场半导体场效应晶体管效应晶体管Lienfeld和和Heil于于3030年代初就提出了表面场效应晶体管原理。年代初就提出了表面场效应晶体管原理。4040年代末年代末Shockley和和Pearson进行了深入研究。进行了深入研究。19601960年年Kahng和和Alalla应用热氧化硅结构制造出第一只应用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET.MOSFET是大规模集成电路中的主流器件。是大规模集成电路中的主流器件。MOSFET是英文缩写词。是英文缩写词。其它叫法:绝缘体场效应晶体管(其它叫法:绝缘体场效应晶体管(IGFET)、)、金属金属-绝缘体绝缘体-半
2、导体场效应晶体管(半导体场效应晶体管(MISFET)、)、金属金属-氧化物氧化物-半导体晶体管(半导体晶体管(MOST)等。等。6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 理想理想MOSMOS结构基于以下假设:结构基于以下假设:(1 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。)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 2)金属和半导体之间的功函数差为零,如绘于图)金属和半导体之间的功函数差为零,如绘于图6-26-2b b中的情形。中的情形。由于假设(由于假
3、设(1 1)、()、(2 2),),在在无偏压时半导体能带是平直的。无偏压时半导体能带是平直的。(3 3)层是良好的是良好的绝缘体,能阻体,能阻挡直流直流电流流流流过。因此,即使有外加。因此,即使有外加电压,表面空,表面空间电荷荷区也区也处于于热平衡状平衡状态,这使得整个表面空使得整个表面空间电荷区中荷区中费米能米能级为常数。常数。这些假些假设在在以后将被取消而接近以后将被取消而接近实际的的MOSMOS结构。构。6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 半导体表面空间电荷区半导体表面空间电荷区 :每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系每个极板上的感应电荷
4、与电场之间满足如下关系 (6-16-1)式中式中 =自由空间的电容率自由空间的电容率 =氧化物的氧化物的相对相对介电常数介电常数 =半导体表面的电场半导体表面的电场 =半导体半导体相对相对介电常数介电常数=空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。外加电压外加电压为跨越氧化层的电压为跨越氧化层的电压和表面势和表面势所分摊:所分摊:(6-26-2)6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区图图6-3加上电压加上电压 时时MOSMOS结构内的电位分布结构内的电位分布 6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表
5、面空间电荷区结构的表面空间电荷区 载流子积累、耗尽和反型载流子积累、耗尽和反型载流子积累载流子积累 紧紧靠靠硅硅表表面面的的多多数数载载流流子子浓浓度度大大于于体体内内热热平平衡衡多多数数载载流流子子浓浓度度时时,称称为为载载流流子子积积累累现象现象。单位面积下的空间电荷单位面积下的空间电荷6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 图图6-4几种偏压情况的能带和电荷分布几种偏压情况的能带和电荷分布(a),(b)小的小的 ,(c)大的大的6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 载流子耗尽载流子耗尽单位面积下的总电荷为单位面
6、积下的总电荷为 式中式中 为耗尽层宽度。为耗尽层宽度。载流子反型:载流子类型发生变化的现象或者说半导体的导电类型发生变化的现象载流子反型:载流子类型发生变化的现象或者说半导体的导电类型发生变化的现象。图图6-4几种偏压情况的能带和电荷分布:几种偏压情况的能带和电荷分布:(a),(b)小的小的 ,(c)大的大的(6-66-6)(6-76-7)(6-56-5)6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 6.1.36.1.3反型和强反型条件反型和强反型条件反型条件;反型条件;强反型条件;强反型条件;式中式中 为出现强反型时的表面势。为出现强反型时的表面势。(6-17
7、6-17)(6-186-18)6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 图图6-5强反型时的能带图强反型时的能带图 6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 总表面空间电荷总表面空间电荷 为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷:为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷:(6-196-19)(6-206-20)(6-216-21)(6-6-5252)6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 小结小结理想理想MOSMOS结构基于以下假设:结构基于以下假设:(1 1)在氧化物中或在氧化物和半
8、导体之间的界面上不存在电荷。)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 2)金属和半导体之间的功函数差为零,如绘于图)金属和半导体之间的功函数差为零,如绘于图6-26-2b b中的情形。中的情形。由于假设(由于假设(1 1)、()、(2 2),在无偏压时半导体能带是平直的。),在无偏压时半导体能带是平直的。(3 3)层层是是良良好好的的绝绝缘缘体体,能能阻阻挡挡直直流流电电流流流流过过。因因此此,即即使使有有外外加加电电压压,表表面面空空间间电电荷荷区也处于热平衡状态,这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。区也处于热平衡状态,这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。偏压偏
9、压 使半导体表面具有表面势,出现表面空间电荷区。使半导体表面具有表面势,出现表面空间电荷区。空间电荷与电场具有以下关系空间电荷与电场具有以下关系 (6-16-1)6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 小结小结载流子积累、耗尽和反型的概念。载流子积累、耗尽和反型的概念。载流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。载流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。体费米势的概念:体费米势的概念:反型和强反型条件:反型和强反型条件:反型条件;反型条件;强反型条件;强反型条件;(6-86-8)(6-176-17)(6-186-18)6.1 6.1 理想理想MO
10、SMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 教学要求教学要求了解理想结构基本假设及其意义。了解理想结构基本假设及其意义。根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。导出反型和强反型条件导出反型和强反型条件 (6-16-1)6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器 系统单位面积的微分电容系统单位面积的微分电
11、容微分电容微分电容C与外加偏压与外加偏压的关系称为的关系称为MOS系统的电容系统的电容电压特性。电压特性。若令若令 (6-226-22)(6-236-23)(6-246-24)(6-256-25)6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器容器 则则 =绝缘层单位面积上的电容,绝缘层单位面积上的电容,=半导体表面空间电荷区单位面积电容。半导体表面空间电荷区单位面积电容。称为系统的归一化电容。称为系统的归一化电容。(6-266-26)(6-286-28)(6-296-29)6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器容器 将电容随偏压的变化分成几个区域,变化大致情况如图将电容随偏压的变化分成几个区域
12、,变化大致情况如图6-7所示。所示。图图6-7 6-7 P P型半导体型半导体MOSMOS的的C-VC-V特性特性 6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器容器 积累区(积累区(0)氧化层电容氧化层电容 ,代入(,代入(6-26-2)式中有)式中有 (6-436-43)(6-426-42)(6-446-44)和和把把(6-56-5)(6-66-6)6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器容器 代入(代入(6-446-44)式解出)式解出归一化电容归一化电容随着外加偏压随着外加偏压的增加而减小的增加而减小.反型区(反型区(0 0)(6-456-45)(6-466-46)(6-476-47)6
13、.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器容器 小结小结MOSMOS电容定义为电容定义为绝缘层单位面积电容绝缘层单位面积电容导体表面空间电荷区单位面积电容导体表面空间电荷区单位面积电容 (6-226-22)(6-296-29)(6-256-25)6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器容器 小结小结归一化电容归一化电容在耗尽区在耗尽区 归一化归一化MOS电容电容随着外加偏压随着外加偏压的增加而减小的增加而减小画出了理想系统的电容画出了理想系统的电容电压特性(图电压特性(图6.7)。)。(6-286-28)(6-456-45)(6-466-46)6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器容器 教
14、学要求教学要求 掌握理想系统的电容掌握理想系统的电容电压特性,对图电压特性,对图6.76.7作出正确分析。作出正确分析。导出公式(导出公式(6 64545)、()、(6-466-46)。)。6.36.3沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压6.36.3沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压 一一 沟道电导沟道电导式中式中 为沟道中的电子浓度。为沟道中的电子浓度。为沟道宽度。为沟道宽度。即为反型层中单位面积下的总的电子电荷即为反型层中单位面积下的总的电子电荷沟道电导为沟道电导为 (6-516-51)(6-526-52)(6-536-53)6.36.3沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压二二 阈值电压
15、阈值电压 :定义为形成强反型所需要的最小栅电压。定义为形成强反型所需要的最小栅电压。当出现强反型时当出现强反型时 沟道电荷受到偏压沟道电荷受到偏压 控制,这正是控制,这正是MOSFETMOSFET工作的基础。工作的基础。阈值电压:阈值电压:第一项表示在形成强反型时,要用一部分电压去支撑空间电荷第一项表示在形成强反型时,要用一部分电压去支撑空间电荷;第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表面势第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表面势。(6-516-51)(6-56-54 4)(6-56-55 5)6.36.3沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压 小
16、结小结二个概念:沟道电导、阈值电压二个概念:沟道电导、阈值电压沟道电导公式沟道电导公式阈值电压公式阈值电压公式 (6-536-53)(6-546-54)6.36.3沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压 教学要求教学要求掌握概念:掌握概念:沟道电导、阈值电压沟道电导、阈值电压导出沟道电导公式导出沟道电导公式(6-536-53)导出阈值电压公式(导出阈值电压公式(6-546-54)说明明阈值电压的物理意的物理意义。6.4实际MOS的电容电压特性6.4实际MOS的电容电压特性功函数差的影响功函数差的影响 6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 以铝电极和以铝电极和P型硅衬底
17、为例。铝的功函数比型硅的小,前者的费米能级比后者的高型硅衬底为例。铝的功函数比型硅的小,前者的费米能级比后者的高。接触前,功函数差。接触前,功函数差()000。因此,欲使能带平直,即除去功函数差所带来的影响,就必须在金属电极上加一。因此,欲使能带平直,即除去功函数差所带来的影响,就必须在金属电极上加一负电压。负电压。(6-566-56)6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 在室温下,硅的修正功函数在室温下,硅的修正功函数(6-576-57)起起着着有有效效电电压压的的作作用用。实实际际系系统统的的电电
18、容容C C作作为为 的函数,与理想的函数,与理想MOSMOS系统系统C C的作为的作为 的函数,在形式上应该是一样的。的函数,在形式上应该是一样的。6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 界面陷阱和氧化物电荷的影响界面陷阱和氧化物电荷的影响 6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 界面陷阱电荷(界面陷阱电荷(interface trapped chargeinterface trapped charge)硅(硅(100100)面,)面,约约,硅(硅(111)面,面,约约。氧化物固定电荷(氧化物固定电荷(fixed oxide chargefi
19、xed oxide charge)位于位于界面约界面约3nm的范围内,这些电荷是固定的,正的。的范围内,这些电荷是固定的,正的。(100100)面,)面,约为约为,(111111)面,)面,约为约为,因为(,因为(100100)面的)面的和和较低,故硅较低,故硅 MOSFETMOSFET一般采用(一般采用(100100)晶面。)晶面。氧化物陷阱电荷(氧化物陷阱电荷(oxide trapped chargeoxide trapped charge)大都可以通过低温退火消除。大都可以通过低温退火消除。可动离子电荷(可动离子电荷(mobile ionic chargemobile ionic cha
20、rge)诸如钠离子和其它碱金属离子,在高温和高压下工作时,它们能在氧化层内移动。诸如钠离子和其它碱金属离子,在高温和高压下工作时,它们能在氧化层内移动。6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 克服硅二氧化硅界面电荷和二氧化硅中电荷影响所需要的平带电压:克服硅二氧化硅界面电荷和二氧化硅中电荷影响所需要的平带电压:如果氧化层中正电荷连续分布,电荷体密度为如果氧化层中正电荷连续分布,电荷体密度为,则,则总的平带电压总的平带电压 (6-586-58)(6-596-59)(6-60)(6-60)6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 其中其中 (6-6
21、16-61)称为称为有效面电荷有效面电荷。实际硅二氧化硅系统:实际硅二氧化硅系统:(6-646-64)6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 实际的实际的MOS阈值电压和阈值电压和C-V曲线曲线平带电压平带电压阈值电压阈值电压 第第一一项项是是,为为消消除除半半导导体体和和金金属属的的功功函函数数差差的的影影响响,金金属属电电极极相相对对于于半半导导体体所所需需要要加的外加电压;加的外加电压;第第二二项项是是为为了了把把绝绝缘缘层层中中正正电电荷荷发发出出的的电电力力线线全全部部吸吸引引到到金金属属电电极极一一侧侧所所需需要要加加的的外加电压;外加电压;第三项是支撑出
22、现强反型时的体电荷第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压;所需要的外加电压;第四项是开始出现强反型层时,半导体表面所需的表面势。第四项是开始出现强反型层时,半导体表面所需的表面势。(6-656-65)(6-666-66)6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 小结小结画出了铝二氧化硅硅系统的能带图。由于功函数差画出了铝二氧化硅硅系统的能带图。由于功函数差 ()0。因此,欲使能。因此,欲使能带平直,即除去功函数差所带来的影响,就必须在金属电极上加一负电压带平直,即除去功函数差所带来的影响,就必须在金属电极上加一负电压:这个电压一部分用来拉平这个电压一部分用来拉
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 半导体 物理 基础 MOS
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【快乐****生活】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【快乐****生活】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。