半导体器件-第十章-含作业

说明这样我就可以光明正大的水经验了，哈哈，我得意地笑，我得意地笑……第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础MOSFET：MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor（金属氧化物半导体场效应管）n+n+P型硅基板栅极（金属）绝缘层（SiO2）场效应管场效应管：一种电压控制器件，它是利用电场效应来控制其电流的大小，从而实现放大。工作时，内部参与导电的只有多子一种载流子，因此又称为单极性器件。原理：利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而实现放大作用;输入阻抗高：栅和其他端点之间不存在直流通道。噪声系数小。多子输运电流，不存在散粒噪声和配分噪声。功耗小，可用于制造高密度的半导体集成电路。输入功率很低而有较高的输出能力。温度稳定性好。多子器件，电学参数不易随温度而变化（n与）。一种载流子参与导电。抗辐射能力强：双极型晶体管的下降（非平衡少子的寿命降低），而场效应管的特性变化小（与载流子寿命关系不大）。其它：工艺卫生要求较高，速度较低。特点n+n+P型硅基板栅极（金属）绝缘层（SiO2）半导体基板漏极源极N沟MOS晶体管的基本结构源极(S)漏极(D)栅极(G)MOSFET的类型沟道中导电的载流子类型N沟道（电子型）P沟道（空穴型）强反型时，导电沟道中的电子漂移运动形成电流强反型时，导电沟道中的空穴漂移运动形成电流VG＝0时，是否有导电沟道增强型耗尽型VG＝0时，无导电沟道VG＝0时，有导电沟道比较常用的是NMOS管，原因是导通电阻小，且容易制造。两个PN结：1）N型漏极与P型衬底；2）N型源极与P型衬底。一个电容器结构：栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS管的核心。10.1MOS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电容的组成MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质：在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型衬底，衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同衬底之间必须是欧姆接触。MOS电容还与外加电压有关。MOS电容的特性与栅极上所加的电压紧密相关，这是因为半导体的表面状态随栅极电压的变化可处于积累层、耗尽层、反型层三种状态。SiO2V（a）MOS结构p-SiMCoxCsd（b）MOS结构等效电路MOS+V-a.MOS结构b.电场效应双端MOS场效应当栅源之间加上正向电压，则栅极和p型硅片之间构成了以二氧化硅为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中便产生了一个垂直于半导体表面的由栅极指向p型衬底的电场（由于绝缘层很薄，即使只有几伏的栅源电压VGS，也可产生高达105~106V/cm数量级的强电场）。这个电场排斥空穴而吸引电子，因此，使栅极附近的p型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离子），形成耗尽层，同时p型衬底中的少子（电子）被吸引到衬底表面。10.1表面能带图:p型衬底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空穴积累：表面的多子浓度大于体内的多子浓度。表面表面）（vFEE)(表面)(vFSEE)exp(kTEENpvFv表面电场电势电子能量以半导体体内为零电势10.1表面能带图:p型衬底小的正栅压情形(耗尽层)空穴耗尽：表面的多子浓度远小于体内的多子浓度。表面表面）远离（vFEE)(表面)(vFSEE)exp(kTEENpvFv表面10.1表面能带图:p型衬底表面空穴浓度=表面电子浓度表面表面)()(FiFEE表面表面nnkTEEnpiFFii)exp(正栅压增大↑10.1表面能带图:p型衬底(反型层+耗尽层)dTX弱反型现象表面表面)()(FiFEE表面表面pnkTEEnniFiFi)exp(正栅压继续增大↑10.1表面能带图:p型衬底强反型阈值反型点:表面电子浓度=体内空穴浓度体表面)()(FFiFiFEEEE表面表面)exp(kTEEnnFiFi体体)exp(kTEEnpFFii体表面pn大的正栅压漏源之间形成的导电通道BPGSiO2SDN+N+++--++--++++VGS--------反型层iDVDS10.1表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形FScFSCEEEE10.1表面能带图:n型衬底(2)小的负栅压情形大的负栅压情形(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型FScFSFiEEEEFScFSFiEEEE10.1空间电荷区厚度:表面耗尽情形费米势表面势表面空间电荷区厚度s半导体表面电势与体内电势之差半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势表示采用单边突变结的耗尽层近似P型衬底22sdxxdExdxdxaeNx)(saseNxdxxdE)()(单边突变结n+pdxx0x00PNdxdxE边界条件：x=xd时，E=0dsaxeNC1)()(dsaxxeNxE1)()(CxeNdxeNdxxxEsasas根据：假定x=xd处的电势为0dxxdxE)()(22)2()()()()(CxxxeNxdxxxeNdxxExdsadsa222dsaxeNC)0(,)(2)(2ddsaxxxxeNx)0(,)(2)(2ddsaxxxxeNx22dsasxeN)0(,)1()(2ddsxxxxxassdeNx2sasdaBeNxeNQ2max10.1空间电荷区厚度:表面反型情形阈值反型点条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度表面空间电荷区厚度表面电子浓度：exp()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT体内空穴浓度：exp()FiFiEEpnkTexp()fpienkT2sfpP型衬底栅电压=阈值电压表面空间电荷区厚度达到最大值:表面导电性增加，屏蔽外加电场10.1空间电荷区厚度:与掺杂浓度的关系实际器件参数区间10.1电子反型电荷浓度P型衬底]exp[])2(exp[])2(exp[]exp[])2(exp[]exp[]exp[kTenkTenkTekTenkTeeenkTeenkTEEnnsstfpsstfpsfpifpsfpifpsiFiFifpss2电子反型电荷浓度：其中10.1表面反型层电子密度与表面势的关系kTeNnnsaisexp2316316cm101V695.02V347.0K300cm103sfpsfpanTN反型实例：P型衬底10.1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二氧化硅的禁带宽度二氧化硅的电子亲和能硅的电子亲和能02gsFsfpEWEEee)2(fpgmsmmseEeWW（电势表示）差金属与半导体的功函数0mFmmWEEe金属的功函数半导体的功函数绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，要达到热平衡，需要导线连接金属和半导体！10.1功函数差:MOS结构的能带图条件：零栅压，热平衡零栅压下氧化物二侧的电势差修正的金属功函数零栅压下半导体的表面势修正的硅的电子亲和能二氧化硅的电子亲和能10.1功函数差:计算公式00'(')2()gmsmfpoxSEeVV83.0)cm10,K300(V228.0:SiSiOAleV11.1:SiV25.3':SiOSiV20.3':SiOAlms314222afpgmNTE00bioxSVV内建电势差：ms功函数差10.1功函数差:计算公式00bioxSVV内建电势差：ms功函数差)(00SoxmsV10.1功函数差:n＋掺杂多晶硅栅(P-Si)0近似相等n+掺杂至简并简并：degenerate退化，衰退10.1功函数差:p＋掺杂多晶硅栅(P-Si)p+掺杂至简并≥010.1功函数差:与掺杂浓度的关系型衬底型衬底同样栅电极材料下的pnmsAupolypAlpolyn：SipAlpolynAupolyp：Sin||型型同样衬底材料下的ms0Al)poly,nms对多数应用（氧化膜中电荷的影响界面态电荷（界面陷阱电荷）这种由悬挂键引起的表面电子状态称为表面态，与SiO2交界，又称界面态固定氧化物电荷位于界面SiO2侧3nm的区域内，密度约1011cm-2，带正电荷。一般认为是界面附近存在未充分氧化的Si离子—过剩硅离子及氧空位可动离子电荷起因于进入SiO2层中的Na+、K+、Li+等轻碱金属离子及H+离子电离陷阱电荷X-射线、γ射线、高能/低能电子束等照射SiO2膜时产生电子-空穴对。上述4种电荷的作用统归于Qox——等效电荷电荷本身与半导体表面的距离不同，对表面状态的影响也不同。距离越近，影响越强。故等效为界面处的薄层电荷。氧化层中的电荷的影响10.1平带电压:定义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氧化层中存在净的空间电荷平带电压定义：使半导体表面能带无弯曲需施加的栅电压来源：金属与半导体之间的功函数差，氧化层中的净空间电荷单位面积电荷数金属上的电荷密度MSiO2Si＋＋＋＋＋＋＋MSiO2Si＋＋＋＋＋＋＋氧化层中的电荷的影响平带0GV10.1平带电压:公式GoxsVV栅电压Vox0+s0=-ms零栅压时：00()()oxoxssoxsmsVVVmssoxGVVVox：栅电压VG降落在SiO2绝缘层上的部分ΦS：栅电压VG降落在半导体表面的部分Φms：金属-半导体功函数差10.1平带电压:公式oxssoxmoxssmCQCQVQ'Q''0'电中性条件oxssmsGFBCQVVs'|0平带电压)0'00恒（，则若ssFBmsQV单位面积电荷数金属上的电荷密度mssoxGVV平带电压第一项是，为消除半导体和金属的功函数差的影响，金属电极相对于半导体所需要加的外加电压；第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的外加电压；MSiO2Si＋＋＋＋＋＋＋oxssmsFBCQVMSiO2Si＋＋＋＋＋＋＋FBsoxGVVVmssoxGVVoxssmsFBCQVVox：栅电压VG降落在SiO2绝缘层上的部分ΦS：栅电压VG降落在半导体表面的部分VFB：平带电压外加栅电压超过VFB的部分（VG-VFB）称为有效栅电压。有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的VOX与降在硅表面附近的表面电势S，即VG–VFB=VOX+S小节内容11.1.4平带电压来源定义如果没有功函数差及氧化层电荷,平带电压为多少?如何算10.1阈值电压:公式mssoxGVV栅电压栅氧化层电容）平带电压氧化层电荷半导体掺杂浓度＋＋－阈值电压,,,(2|'|2|'|2||maxmax2ox2GfVCQCQ'CQVVVfpFBoxSDmsfpoxssoxSDmsfpTNfpsfps'|'|'msDssoxoxoxoxQQQVCCC栅氧化层电压阈值电压：达到阈值反型点时所需的栅压表面势=费米势的2倍|QSDmax|=eNaxdTQSDns'|'|msssDQ'QQ电中性条件忽略反型层电荷10.1阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系P型衬底MOS结构Q‘ss越大，则VTN的绝对值越大；Na越高，则VTN的值（带符号）越大Na很小时，VTN随Na的变化缓慢，且随Q’ss的增加而线性增加Na很大时，VTN随Na的变化剧烈，且与Q’ss的相关性变弱