半导体器件物理.pptVIP

真空能级E0金属或半导体材料真空电子电子4.3MOS结构的阈值电压1.金属与半导体的功函数W4.3.2实际MOS结构的阈值电压定义：功函数W是指一个能量位于费米能级EF处的电子从金属或半导体内部逸出到真空中所需要给予它的最小能量。定义式为：N型P型ND/cm-3101410151016NA/cm-3101410151016WS/eV4.374.314.25WS/eV4.874.934.99Si材料在不同掺杂浓度下的功函数WS（单位：eV）4.3MOS结构的阈值电压2.金属与半导体功函数差对VT的影响图（a）所示是一个普通MOS结构的能带图。当用金属铝来做栅极时，由于铝的功函数较小，约为WAl=4.13eV,通常小于半导体的功函数，如图。因此，即使不施加栅压，栅极也会与半导体衬底发生电子交换，见图（b）。(a)(b)4.3MOS结构的阈值电压(c)(d)图（c）所示的是这种电子交换结束时，并且在达到新的平衡态时的能带图。当栅极金属功函数较小时，半导体表面能带通常向下弯曲。为使半导体表面能带变平，需要在栅极施加补偿电压VG’，如图（d）所示。数值上，VG’=φms。考虑φms后，VT修正为下式(P-Si)。4.3MOS结构的阈值电压3.栅氧化层中有效表面态电荷密度QSS对VT的影响图（e）显示了栅氧化层中各种正电荷以及Si-SiO2界面的界面态对半导体表面的影响，图中用有效表面态电荷密度QSS来等效，它位于Si-SiO2界面SiO2一侧，这样来等效，便于问题的处理。图（f）则显示了半导体表面受QSS作用后能带弯曲情形。(e)(f)4.3MOS结构的阈值电压(g)(h)图（g）显示了为平衡SiO2层中有效表面态电荷密度QSS对半导体表面的影响，施加补偿电压VG’’的情形。在数值上该补偿电压需满足VG’’=－（QSS/Cox）。一般地，由于QSS0，因此，有VG’’0。图（h）则显示了这种补偿效果，这时半导体表面能带被拉平。这时MOS结构的阈值电压VT为：景物CCD器件透镜4.3MOS结构的阈值电压4.3.3MOS结构的应用——电荷耦合器件（CCD）1969年，美国贝尔实验室的两位科学家WillardBoyle（韦拉德·博伊尔）和GeorgeSmith（乔治·史密斯）发明了电荷耦合器件CCD——ChargeCoupledDevice。1.影像信息的采集作为一种高分辨率的图像传感器，CCD器件拥有许多优异的性能。它可直接将光信号转换为电信号，电信号再经过放大和模数转换，即可实现图像信号的采集、存储与传输。目前，它已被广泛应用于电视摄像机、数码相机、扫描仪及各种影像监视仪中。光照电子-空穴对信息电荷P-Si4.3MOS结构的阈值电压2.CCD结构单元CCD结构单元是由一系列紧密排列的MOS电容所构成的，如图所示。景物的影像光照产生电子-空穴对，对应地在VG端施加一正脉冲，从而产生一势阱。此时，空穴因带正电荷而被排斥走，电子带负电荷而被吸引进势阱中，这些电子被称为信息电荷，它反映了光照的强弱，并暂时被储存在所谓的电子势阱中。P-Si满阱P-Si空阱4.3MOS结构的阈值电压3.电子势阱的形成与电荷转移当在MOS电容的栅极突然施加一幅度较高的电压脉冲时，空穴因带正电荷而被迅速赶往衬底，并留下了受主负离子，由于短时间内热激发产生的电子-空穴对数量有限，此时为平衡栅极正电荷，在半导体Si表面栅极正下方产生一个较深的耗尽区，称作势阱。没有信息电荷（电子）的势阱称为空阱；当势阱里的电荷主要以自由电子为主时，我们称其为满阱，如图（a）、（b）所示。(a)(b)P-SiP-Si4.3MOS结构的阈值电压(c)(d)势阱中信息电荷的转移是CCD器件重要的工作机理，如图(c)、(d)所示。a、b、c三个电极上施加有不同的电压脉冲，且有V3V2V1，因此，c势阱中的电势能最低，当b阱中有信息电荷时，在V3脉冲的作用下，将会转移到c阱中，实现信息转移。4.4MOS结构的C-V特性4.4.1MOS电容从结构上看，MOS结构实际上构成了一个电容器，它的栅电极构成了该电容器的上电极，而下面的半导体衬底则构成了电容器的下电极。前面的分析已经表明，当在金属栅极上施加不同的电压时，在半导体衬底的表面会感应出空间电荷区以及反型层或者多数载流子的积累层。另外，我们也注意到这个下电极，即半导体衬底的表面在带电情形时与普通电容器的带电情形存在一定的区别，这告诉我们这种MOS电容器应