功函数差Workfunctiondifference.PPT

SiO2-Si MOS 二極體 電特性最接近理想MOS二極體。 與理想二極體最大差異：a.金屬電極與半導體之功函數差q?ms不為零；b.氧化層中或介面處有電荷存在。 所以熱平衡時的半導體區之能帶圖有彎曲，不為平帶情形(flat-band condition )。 ?ms與使半導體恢復平帶狀況之電壓（平帶電壓flat-band voltage)為所關心之量。 功函數差（Work function difference ） 功函數差?ms（續） 將金屬區和半導體區的費米能階至真空能階之能量相比較： 功函數差?ms（續） 功函數差?ms（續） 平帶電壓（Flat-band voltage） 定義：使半導體區之能帶無彎曲所施加的閘極電壓。 加閘極電壓，跨於氧化層及半導體的表面電位會改變： 平帶電壓VFB（續） 當VG = VFB時，?s = 0，故可得： 氧化層所跨電位可以下分析得知： 故可得平帶電壓公式： 氧化層電荷： 氧化層電荷對CV圖的影響 其中平帶電壓狀態介於聚積狀態與空乏狀態之間： 由平帶電壓公式可知： 氧化層電荷對CV圖的影響（續） 由平帶電壓的分析可知，當氧化層電荷為正時，CV圖會往左平移，且電荷越多，平移量越多；當氧化層電荷為負時，CV圖會往右平移。 界面電荷對CV圖的影響 表面週期性終止，有懸鍵產生，在禁制能帶會形成界面態階。 電荷可在半導體與界面態階之間流動，隨著偏壓之改變，界面態階與費米能階的相關位置不同，界面的淨電荷也會改變。 界面電荷對CV圖的影響（續） 界面電荷對CV圖的影響（續） 以p型半導體為例： 界面電荷對CV圖的影響（續） 氧化層電荷與界面電荷影響之比較 臨限電壓（Threshold voltage） 產生強反轉所需加的閘極偏壓。 已知 故p型半導體產生強反轉（ ?s = 2?fp ）所需的臨限電壓為： 臨限電壓（續） 由上式可知：半導體材料、金屬材料（?ms）；氧化層材料（?ox、tox） ；氧化層電荷（Qss’） ；摻雜濃度（QSD’、?fp）均會影響臨限電壓。 臨限電壓是MOSFET的重要參數，表示電晶體導通的開始點(on)，故應適當選擇以上之製程條件，使得所製作之金氧半電晶體之臨限電壓落在電路設計的電壓範圍內。 臨界電壓調整 臨限電壓（續） 臨限電壓（續） 基本的 MOSFET結構 基本的MOSFET元件 N通道增強模式 N通道空乏模式 P通道增強模式 P通道空乏模式 N通道增強模式(Enhamcement mode) N通道空乏模式(Depletion mode) N通道空乏模式：在零閘極電壓，氧化層下已有電子反轉層存在。 P通道增強模式 P通道增強模式：在零閘極電壓，氧化層下沒有電洞反轉層，需加負閘極偏壓才會有反轉層。 P通道空乏模式 P通道空乏模式：在零閘極電壓，氧化層下已有電洞反轉層存在。 工作原理 VG VT，源極到汲極間好似二個背對背的pn接面，加一汲極電壓，只有微弱的逆向漏電流。 VG VT，半導體表面產生反轉電子，只要加一點汲極電壓，可使電子由源極流向汲極，產生通道電流ID。 理想狀況下，閘極電壓只控制反轉電子的多寡，不會使電子通過氧化層至閘極端。 通道電導（Channel conductance） 當VG VT，VDS比較小時，ID與VDS成正比，好似電阻（故稱為線性區），可表示為： 線性區 飽和區（Saturation region） 當VDS漸增，靠近汲極附近的氧化層所跨的電壓減少，產生反轉電荷的能帶彎曲減少，故反轉電子減少，ID-VDS圖的斜率漸減。 當汲極電壓增加至使跨於汲極端氧化層電壓恰等於VT，此時反轉電子密度為零（稱為夾止)，故ID-VDS圖的斜率變為零，即電流維持不變，達到飽和。 此時 飽和區（續） 當汲極電壓大於VDS(sat)反轉電荷為零的點往源極移動，此時電子注入空間電荷區，在藉由電場掃至汲極。 當VDS VDS(sat)，p點的電壓仍為VDS(sat)，故ID維持不變。 理想電流電壓曲線 MOSFET 理想條件 閘極構造為理想MOS二極體，即沒有介面陷阱、固定氧化物電荷或功函數差。 只考慮漂移電流。 反轉層的載子移動率為定值（電場不會太大）。 摻入雜質於通道內均勻分布。 反向漏電流可忽略。 通道橫向電場 (在x方向的εx，和電流垂直) 遠大於縱向電場 (在y方向的εy，和電流平行)。 電流電壓關係式……漸變通道近似法 電流電壓關係式（續） 將歐姆定律關係式由y = 0，V = 0積分到y = L，V = VD可求得ID關係式： 當VD很小時（線性區），ID為： 理想電流關係圖 通道電導 和傳導係數 （Transconductance） 在線性區通道電導 gD 和傳