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理想的MOS电容假设半导体表面的电场完全由外加栅压产生，实际的MOS结构并不是这样的，因为： 金属和半导体的功函数不同 氧化层中存在各种电荷 在半导体和氧化层交界面存在界面态 所有这些因素都将在半导体表面引起相应的电场，并影响MOS电容的C-V特性。 深耗尽：栅极电压迅速变化，反型载流子的产生跟不上栅压的变化。 低频 高频 深耗尽 MOS结构基础 第一节 半导体表面空间电荷区及反型层 第二节 MOS结构的电容－电压特性 第三节 非理想MOS结构 金属－半导体功函数差 接触电势差： 由于功函数差，当栅压VG= 0时，半导体表面已经存在空间电荷区，并使能带弯曲。在MOS电容的栅上加适当的电压就可以使表面空间电荷区消除，能带恢复平直，这个电压称为平带电压，用VFB表示，显然有： 由于存在接触电位差，实际上加在MOS电容上的偏压VG可以看做是由（VG－VFB）和VFB两部分组成的，前者相当于理想C－V中的VG，后者抵消接触电位差。 在理想MOS中，VG = 0 时的电容为平带电容，实际的MOS中，当VG－VFB ＝ 0，电容为平带电容CFB。即当电压VG＝VFB时，电容才是CFB 。这表明，功函数差使理想C－V曲线，沿水平方向平移VFB 。 理想C－V 对C-V特性的影响 界面陷阱和氧化物电荷 热氧化形成的Si-SiO2系统中的各类电荷及分布 金属 Na+ K+ 可移动离子电荷 氧化物 陷阱电荷 ＋ ＋ ＋ － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × × × × 固定电荷 Na+ 界面陷阱电荷 Na+ 界面陷阱电荷 Qit 位于Si-SiO2界面，其能级位于禁带内。界面态密度（单位面积界面陷阱数）和晶面取向有关。硅（100）面Qit小于1010cm-2 MOS结构实际上构成一个电容，金属层和半导体是它的两个极板。伴随着金属电极上电压的变化，在半导体表面形成积累、耗尽和反型层，这一过程实质上是MOS电容的充电过程。由于MOS电容包含一个空间电荷区的充放电，与PN结相似，其电容不是恒定的。对MOS电容进行测量，都是在一定的直流偏压之上叠加一个微小的交流电压信号，测量相应的充放电电流，这样测出的是微分电容。单位面积微分电容定义为极板电荷对所加栅电压的求导。 反型载流子可以分为三种情形：1、与半导体内部处在平衡态，具有共同的费米能级，如MOS电容；2、和半导体内部之间加有一定的偏压，如MOSFET；3、由于控制电极电压迅速变化，反型载流子处在动态变化过程中，如CCD。 重要的是：氧化物电荷对平带电压影响，与它们在氧化层中的位置有很大的关系，电荷薄层的位置欲接近金属，引起的平带电压越小。 1、两端MOS基本结构 Metal-Oxide-Semiconductor 两端MOS结构的透视图 欧姆接触 第一节 半导体表面空间电荷区及反型层 理想MOS电容： 金属与半导体间功函数差为零 在氧化层内没有任何电荷,氧化层完全不导电 氧化层与半导体界面处不存在任何界面态 通过外加偏压，借助于MOS结构可以在半导体表面产生空间电荷区。 P-Si ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － 两端MOS结构，当在金属与半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上会产生数值相等、符号相反的感生电荷。但是，与普通平板电容不同的是，在MOS结构中，电荷在两个极板上的分布不同。 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － 在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度内。 MOS结构的电容描述 在半导体内，电荷则要扩展到相当厚度的一层。 金属表面单位面积电荷 空间电荷区单位面积电荷，由电子、空穴和电离杂质构成。半导体表面的性质取决于其中哪一个起主导作用。 表面空间电荷区的宽度 空间电荷区两端的电势差称为表面势 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － 能带向上弯曲 能带向下弯曲 空间电荷区描述：能带图 积累层、耗尽层和反型层 多子积累 表面耗尽 表面反型 当MOS加上偏压时，半导体表面分为有三种情况： 理想MOS结构在外加偏压为零时的能带图 平带 多子积累 （Accumulation） 金属电极上加负的偏压，将在半导体表面感生正电荷。在P型半导体中，感生的正电荷就是被吸引到表面的空穴，这种堆积在表面的空穴成为积累层。积累层十分集中在表面，通常可以忽略其厚度。 hole 表面耗尽（ Depletion） 金属电极上加正的偏压，将在半导体表面感生负电荷。在电压较小时，主要是多子空穴被赶走（多子耗尽），留下带负电荷的电离受主离子。这时虽然有少子电子被吸引到表面，但是数目很少，没有什么影响。在这一阶段，电压的增加只是使更多的空