5.1场效应晶体管-MOSFET.pptVIP

半导体器件原理 南京大学 c: ?F ?s 2?F：从p区反型成n区，弱反型。 ?s? 2?F，强反型。 Qsc?随?s指数上升。 （电子对表面电场的屏蔽作用） 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 (三) ?s及W与外加偏压的关系 外加电压降落在二氧化硅层和半导体表面内的空间电荷区上。 半导体器件原理 南京大学 1）对耗尽层情况： 由氧化层厚度，半导体掺杂浓度，可得?s随VG的变化关系。 半导体器件原理 南京大学 2）对强反型情况： 空间电荷密度还包括载流子，耗尽层宽度达极大值。 外加电压只引起反型层中电子浓度的增加以及金属电极上正电荷的增加。 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 Qd: 多子响应时间~10-12 s Qi : 少子响应时间~ 10-6 s * * * * * * * * * * * * * 则响应时间为： 该值的典型值为：0.1~10秒。因此，当交变电压信号的频率高于100Hz时，反型层电荷将跟不上栅压的变化，只有耗尽电荷（多子行为）能够跟随电压信号的变化而变化，于是，Si电容只由耗尽层电容决定，由此确定的最小电容值发生在发生强反型的最大耗尽层厚度情形，表达式为： 图8-12 ③ ③ 半导体器件原理 南京大学 n-Si与p-Si的MOS CV曲线 半导体器件原理 南京大学 （四）栅材料与氧化层的影响 1）金属—半导体功函数差的影响 金属加偏压VFB，拉平半导体表面能带，去除表面空间电荷区。 半导体器件原理 南京大学 金属半导体功函数差的作用：使CV曲线向左平移。 当绝缘层中有分布电荷,则有: 其中,氧化层中总有效电荷面密度 实际MOS结构的阈值电压: VT= VT1+ VFB VT1= VOX+ VS = -(QdM/COX)+ 2VB VFB= - VMS -(QOX/COX) ★ C-V特性的应用 求氧化层厚度dOX: COX → dOX 求半导体掺杂浓度NA(ND): [C’min + dOX ]→ NA(ND) 计算,或表8-12 求氧化层中总有效电荷面密度QOX: [dOX + NA ] → CFB VFB → QOX 半导体器件原理 南京大学 2）多晶硅与耗尽效应 ?功函数与平带电压 在集成电路技术中，传统的栅电极为重掺杂多晶硅栅。重掺杂多晶硅作为栅电极的好处是其功函数通过掺杂进行调制。 通常，将nMOS和pMOS的多晶硅栅电极的费米能级分别调至导带和价带附件，即EF=EC 或EF=EV，功函数差分别为： 半导体器件原理 南京大学 ?耗尽效应 （未形成足够重掺杂时） 引入寄生电容，减小反型层电荷密度和MOSFET跨导 半导体器件原理 南京大学 ?掺杂浓度 半导体器件原理 南京大学 半导体器件原理 南京大学 3）介质中电荷与界面态 （1）三种表面：清洁表面，真实表面，表面生长氧化层。 ?清洁表面和真实表面 ?内表面： 类似于清洁表面，有受主能级又有施主能级。易与体内交换电子—快态（ms）。 ?外表面： 具有表面能级（离子吸附与杂质沾污），密度与周围气氛有关，难与体内交换电子——慢态。 半导体器件原理 南京大学 （2）界面附近的固定正电荷 分布在近界面10 nm 内，1011-1012/cm2 电子积累，n变为n+；空穴耗尽甚至反型，p变为n。 硅正离子或氧空位，依赖于工艺条件或晶向。 半导体器件原理 南京大学 ?界面态密度： (100) (110) (111) 干氧氧化：界面态较高 湿氧氧化：界面态较低 ?氧化后进行低温处理，减少界面态。 （3）Si—SiO2界面态 ?类似于真实表面的内表面态，施主与受主。 ? p型：界面态施主型。 氧化过程引入的杂质或晶体中杂质的外扩散。 n型：界面态受主型。 悬挂键及晶格失配所引起。 半导体器件原理 南京大学 （4）氧化层中的可动电荷 来源：沾污氧化层外表面的正离子，在电场或温度的作用下，漂移到近界面处。 影响：在硅表面处感应负电荷，影响器件的稳定性。 成份：Na+，K+，Li+，H+。 ?热氧化后去除表层氧化层， ?采用P处理, ?无钠清洁工艺 ?用氮化硅作表面钝化。 半导体器件原理 南京大学 （5）电离陷阱 高能射线照射下，在二氧化硅中产生电子空穴对，在负极附近产生正的空间电荷区，即电离陷阱。 解决：在H2或N2中退火。 半导体器件原理 南京大学 4）介质中电荷与界面态的影响 (1)表面势 固定于界面SiO2一侧正电荷QSS的存在，使半导体表面及金属电极上感生出负电荷-Qsc及-Qm。 正