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第5章 MOS电容器及MOSFET 半导体器件物理 半导体器件物理 第5章 MOS电容器及MOSFET 半导体器件物理 Semiconductor Physics and Devices * 本章内容 理想的MOS电容器 SiO2-Si MOS电容器 MOSFET基本原理 第5章 MOS电容器及MOSFET * 研究半导体表面特性，MOS电容器用作存储电容并且是电荷耦合器件（CCD）的基本结构单元。 图(a)为MOS电容器的透视结构，V为施加于金属板上的电压。 图(b)为剖面结构，d为氧化层厚度。 金属板相对于欧姆接触为正偏压时，V为正值；金属板相对于欧姆接触为负偏压时，V为负值。 5.1 理想的MOS电容器 (a)MOS二极管的透视图 (b)MOS二极管的剖面图 第5章 MOS电容器及MOSFET * 右图为V=0时理想p型半导体MOS电容器的能带图。q?m、q?s：金属、半导体功函数，费米能级与真空能级之间的能量差；qχ：电子亲和势，半导体中导带边与真空能级的差值；qχi：氧化层电子亲和势；q?B：金属与氧化层的势垒；qΨB：费米能级EF与本征费米能级Ei的差值。 理想MOS电容器定义为： 零偏压，q?ms为零，即能带是平坦的（称为平带条件）。 任意偏压，电容器中的电荷仅为半导体内电荷以及邻近氧化层的金属表面电荷量，它们大小相等、但极性相反； 直流偏压，无载流子输运通过氧化层，氧化层电阻为无穷大。 第5章 MOS电容器及MOSFET * 半导体表面向上弯曲的能带使Ei-EF的能级差变大，进而提高了氧化层与半导体界面处的空穴浓度（或空穴堆积），称为积累。 理想MOS电容器偏压为正或负时，半导体表面出现三种状况： （1）p型半导体，施加负电压，SiO2-Si界面处诱导过剩的空穴，半导体表面附近的能带向上弯曲。 理想的MOS电容器，不论外加电压多大，器件内部无电流流动，所以半导体内的费米能级将维持恒定。 半导体内的载流子浓度与能级差的关系： 第5章 MOS电容器及MOSFET * （2）外加一小正电压，靠近半导体表面的能带将向下弯曲，EF=Ei，多子空穴被耗尽，称为耗尽。半导体内单位面积的空间电荷Qsc为-qNAW，其中W为表面耗尽区的宽度。 （3）外加一更大的正电压，能带向下弯曲更多，使得表面的Ei穿过EF。SiO2-Si界面处诱导过剩的负载流子电子。半导体中电子的浓度与能级差的关系： 由于EF-Ei＞0，因此半导体表面处的电子浓度npni，而空穴浓度ni，表面的电子数目大于空穴，表面呈现反型，称为反型。 第5章 MOS电容器及MOSFET * 起初，因电子浓度较小，表面处于弱反型状态，当能带持续弯曲，最终使得EC接近EF。 当靠近SiO-Si界面的电子浓度等于衬底掺杂水平时，开始发生强反型。 之后，绝大部分半导体中额外的负电荷由电子电荷Qn组成，它们位于很窄的n型反型层（0≤x≤xi）中[如右下图]，其中xi为反型层厚度。xi典型值为1~10nm，远小于表面耗尽层的宽度。 第5章 MOS电容器及MOSFET * 下图为p型半导体表面更为详细的能带图。半导体体内的静电势Ψ定义为零，在半导体表面Ψ=Ψs，Ψs称为表面势。将电子与空穴的浓度表示为Ψ的函数： 当能带向下弯曲时，Ψ为正值。表面载流子密度为 一、表面耗尽区 第5章 MOS电容器及MOSFET F E V E i E C E 半导体表面 g E B y q y q (yS0) qyS x 半导体 氧化层 半导体表面 x 半导体 氧化层 * 根据以上的讨论，表面势可以分为以下情形： Ψs0：空穴积累（能带向上弯曲）； Ψs=0：平带情况； ΨBΨs0：空穴耗尽（能带向下弯曲）； Ψs=ΨB：带中情况，满足ns=np=ni（本征浓度）； ΨsΨB：反型（能带向下弯曲超过费米能级）。 仿照单边n+-p结空间电荷区结论，表面势Ψs为 其中NA为半导体掺杂浓度，W为半导体耗尽区宽度，εs为半导体介电常数。 第5章 MOS电容器及MOSFET * 表面电子浓度等于衬底杂质浓度是一个简单的判据，即ns=NA。因为 ，由 上式表明需要一个电势ΨB将能带弯曲至表面本征的条件（Ei=EF）；接着能带还需要再弯曲一个qΨB，以使表面达到强反型的状态。 可得 当ΨsΨB，表面发生反型。需要一个判据来判断强反型的起点。在此之后则反型层中的电荷变得相当显著。 第5章 MOS电容器及MOSFET F E V E i E C E 半导体表面 g E B y q y q (yS0) qyS x 半导体 氧化层 半导体表面 x 半导体 氧化层 * 或 当表面为强反型时，表面耗尽区宽度达到最大值。于是，当Ψs等于Ψs(inv)，可得到表面耗尽区的最大