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1RuHuang,IME,PKU三个区域：饱和区放大区(线性区)截止区βocbII≡Ib•线性区：电流控制型器件（模拟电路）开关特性：数字逻辑电路双极晶体管2RuHuang,IME,PKU3RuHuang,IME,PKU双极晶体管小信号分析方法4RuHuang,IME,PKUMS接触之一：肖特基接触™理想情况5RuHuang,IME,PKU肖特基二极管比PN结二极管导通电压低（0.4V左右）瞬态响应快可用于高速电路6RuHuang,IME,PKU™实际接触对于Si，MS界面存在薄的自然氧化层，会有表面电荷：影响势垒高度实际二极管中表面电荷会引起平衡态费米能级钉扎在表面禁带中的某一能级上7RuHuang,IME,PKU欧姆接触隧穿机制8RuHuang,IME,PKUMESFETAlGaAs：绝缘层适合高速应用9RuHuang,IME,PKU耗尽型和增强型MESFET10RuHuang,IME,PKUMOS结构11RuHuang,IME,PKUMOSMOS结构结构™MOS结构™平衡和非平衡情况下的静电特性™理想MOS结构的C-V特性™非理想MOS结构的C-V特性™MOS结构的应用之一——varactor12RuHuang,IME,PKUMOS结构：•MOSFET、电荷耦合器件等的核心•RF电路中的varactor等•可以用于监测MOS工艺，预测MOS管性能•提取参数MOS电容的结构13RuHuang,IME,PKUMOSMOS结构结构™MOS结构™平衡和非平衡情况下的静电特性™理想MOS结构的C-V特性™非理想MOS结构的C-V特性™MOS结构的应用之一——varactor14RuHuang,IME,PKU‹MOS结构中的电荷和电势电势：Vg=VOX+φs+φms电荷平衡：Qg+Qo+Qs=0Qg:Vg在栅电极上引起的电荷Qo:氧化层缺陷引起的等效电荷Qs:硅中感应的电荷金属栅足够厚，在交流和直流偏置条件下可以看作是一个等势区理想情况：•φms＝0；•在氧化层中或氧化层－半导体界面没有电荷中心•氧化层是一个完美绝缘体15RuHuang,IME,PKU理想情况下的平衡能带图16RuHuang,IME,PKU施加偏压后栅压从负开始增大，表面电荷层呈现状态：——积累、平带、耗尽、本征、反型引起栅电容随电压的改变理想情况，以p型衬底为例17RuHuang,IME,PKU•正电荷积累，屏蔽负电场终止电力线•Vg0：积累状态Vg00,0ssQφ18RuHuang,IME,PKUVg＝0•Qg=0•平带状态19RuHuang,IME,PKUVg0•从半导体表面排斥走空穴;吸引少子(电子)到半导体表面•在开始加正电压时主要多子空穴被排斥，留下负电的电离受主；少子(电子)数量很少，影响不大•电荷平衡:空间电荷区中负电离子•Vg0：耗尽状态耗尽区宽度随栅压增大而增大Qs0,ϕs020RuHuang,IME,PKUEfEi，开始反型两部分电荷：反型层＋耗尽层电荷•栅压继续增大，表面出现本征•随着栅压进一步增大，开始出现弱反型表面电子浓度大于空穴浓度21RuHuang,IME,PKU•吸引到表面的电子浓度迅速增大，表面电子浓度与体内多子的空穴浓度相等•表面形成一个电子导电层：反型层•反型层中电子浓度很大，相当于屏蔽层Vg＝Vt强反型阈值电压()aNn=0强反型条件22RuHuang,IME,PKU•反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层中的电子增加•耗尽层电荷基本上不再增加：耗尽层宽度达最大Vg＝Vt沟道：P型体：n沟道N型体：p沟道23RuHuang,IME,PKU理想情况，P型衬底栅压Vg0VT积累平带反型栅压Vg0VT积累平带强反型耗尽本征弱反型耗尽简化：24RuHuang,IME,PKU25RuHuang,IME,PKU‹MOS结构中的电荷和电势电势：Vg=VOX+φs电荷平衡：Qg+Qs=0高斯定理Qg=ε0εOXΕOX=VOXCOXQs=－ε0εsΕsi理想情况26RuHuang,IME,PKU积累情况Vg=Vg=VoxVox27RuHuang,IME,PKU耗尽情况28RuHuang,IME,PKU反型情况29RuHuang,IME,PKU⎟⎠⎞⎜⎝⎛≈kTqNnQsaiinvϕexp2n30RuHuang,IME,PKU31RuHuang,IME,PKUMOSMOS结构结构™MOS结构™平衡和非平衡情况下的静电特性™理想MOS结构的C-V特性扫描栅压，表面空间电荷层有六种状态:积累、平带、耗尽、本征、反型、深耗尽表面空间电荷层的变化引起电容随电压的改变：C-V™非理想MOS结构的C-V特性™MOS结构的应用之一——varactor32RuHuang,IME,PKU与频率相关P型衬底为例33RuHuang,IME,PKU™MOS电容求解sgoxddQCCϕ111+=ggdVdQC=oxgsgCdQddV+=ϕssssgCddQddQ=−=ϕϕsoxCCC111+=Cs34RuHuang,IME,PKU35RuHuang,IME,PKU从积累到耗尽不是突变平带时对应的Cs近似解Cs≈εs/Ld精确求解得到复杂公式36RuHuang,IME,PKU0,0ssQφ•耗尽关键参量xd•xd随φs增大而增大37RuHuang,IME,PKU•反型0,0ssQφ•强反型条件φs=2φf()aNn=0EfEi，开始反型两部分电荷：反型层＋耗尽层电荷强反型：耗尽层宽度达最大，反型层中电子浓度与表面势成指数关系，相当于屏蔽层38RuHuang,IME,PKU™反型层中少子的来源：空间电荷区中晶格热振动产生的电子、空穴对（几乎无载流子，产生大于复合），产生的电子在电场作用下漂移进入反型层（2）与界面陷阱相关产生的电子（3）从半导体内部产生并扩散到反向偏置的表面空间电荷区边缘，再通过漂移进入反型层（1）39RuHuang,IME,PKU™形成反型层所需的时间：出现高频C-V与低频C-V特性不同的原因iosinvnNtτ2=τ0=1μs，Ns=1015cm-3，t=0.2s40RuHuang,IME,PKU41RuHuang,IME,PKU™深耗尽：Vg以脉冲形式加上，表面处于非平衡状态11−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=sdoxDDxCCε直流电压扫描很快10V/s与交流电压的频率无关无时间建立Qinv强反型深耗尽42RuHuang,IME,PKU频率的特性DC平衡AC平衡DC平衡AC非平衡DC非平衡AC非平衡43RuHuang,IME,PKU™在反型区的C-V关系与频率相关™反型层载流子为少子，若反型层电荷来不及产生，Qs跟不上电势的变化™低频C-V与高频C-V的差别来源于反型层形成的频率响应低频LF：Qinv的变化能跟上交流信号的变化高频HF：Qinv的变化跟不上交流信号的变化（105Hz）交流信号44RuHuang,IME,PKU™温度、光照的影响温度增大，趋于低频特性¾少子产生率增大光照增大，趋于低频特性¾少子产生率增大，充放电跟上变化¾光照产生的电子空穴对在耗尽层两侧重新分布，耗尽层厚度减小，电容增大•积累和耗尽时C-V与频率无关可以利用MOS电容测量少子寿命45RuHuang,IME,PKUMOS电容有频率特性MOSFET的反型电容不受频率限制，可在高频下工作N+（P+）N+（P+）P-（N-）SourceGateDrain46RuHuang,IME,PKUMOSMOS结构结构™MOS结构™平衡和非平衡情况下的静电特性™理想MOS结构的C-V特性™非理想MOS结构的C-V特性™MOS结构的应用之一——varactor47RuHuang,IME,PKU™非理想与理想C-V特性差别功函数各种电荷的影响多晶硅耗尽效应反型层量子化…..48RuHuang,IME,PKU1.功函数的影响MOS电容中三个分离系统的能带图功函数＝E真空－E费米：一个电子越过表面势垒所需要的能量半导体的亲和势：材料的特性功函数：qφs=qχs+Eg/2+qφfp49RuHuang,IME,PKU金属为等势体，无能带弯曲能带弯曲只能发生在半导体或绝缘层中能带上弯能带下弯smφφsmφφ能带弯曲平衡系统中费米能级平直，真空能级连续，功函数不同两种材料间的功函数差接触势MOS结构中的功函数差由金属和半导体决定多种材料间功函数差仅与最上层和最下层的有关50RuHuang,IME,PKU功函数无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲51RuHuang,IME,PKU平带电压通过施加偏压进行补偿使能带平直，定义使表面能带变平，表面势为0，所需在栅上加的偏压smmsFBVφφϕ−==OXmsFBCQV0−=ϕ考虑相关电荷后的平带电压平带电压（不考虑氧化层中的电荷)：52RuHuang,IME,PKU多晶硅－SiO2-Si()()硅衬底多晶硅ffmsφφϕ−=fmsφϕ−−=56.0fmsφϕ+−=56.0n+多晶硅(V)p-typeSi(V)n-typeSi53RuHuang,IME,PKU™P型硅：平带电压为负，C-V向负方向移动