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2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 半导体物理与器件 西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITY 张丽 11.金属氧化物半导体场效应晶体管基础 11.1双端MOS结构 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容 本节内容 1.1.1 能带图 1.1.2 耗尽层厚度 1.1.3 功函数差 1.1.4 平带电压 1.1.5 阈值电压 1.1.6 电荷分布 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容 MOS电容结构 氧化层厚度 氧化层介电常数 Al或高掺杂的多晶Si n型Si或p型Si SiO2 MOS结构具有Q随V变化的电容效应，形成MOS电容 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容 实际的铝线-氧化层-半导体 （M:约10000A O:250A S:约0.5~1mm） 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容 理想MOS 电容结构特点 绝缘层是理想的，不存在任何电荷，绝对不导电； 半导体足够厚，不管加什么栅电压，在到达接触点之前总有一个零电场区（硅体区） 绝缘层与半导体界面处不存在界面陷阱电荷； 金属与半导体之间不存在功函数差。 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(1) 负栅压情形 导带底能级 禁带中心能级 费米能级 价带顶能级 负栅压： 多子的积累， 体内多子顺电场方向被吸引到S表面， 能带变化：空穴在表面堆积，能带上弯 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(1) 零栅压情形 理想MOS电容： 绝缘层是理想的，不存在任何电荷； Si和SiO2界面处不存在界面陷阱电荷； 金半功函数差为0。 系统热平衡态，能带平，表面净电荷为0 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2) 小的正栅压情形 (耗尽层) 小的正栅压：多子耗尽， 表面留下带负电的受主离子，不可动，且由半导体浓度的限制，形成负的空间电荷区。 能带变化： P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，能带下弯， 注意：正栅压↑，增大的电场使更多的多子耗尽， xd↑，能带下弯增加 xd：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度。 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容 表面能带图:p型衬底(2) 大的正栅压情形 (反型层+耗尽层) 大的正栅压： 能带下弯程度↑，表面 EFi 到 EF下，表面具n型。 P衬表面Na-面电荷密度↑，同时P衬体内的电子被吸引到表面，表面出现电子积累，反型层形成。 注意：栅压↑反型层电荷数增加，反型层电导受栅压调制。 阈值反型后， xd↑最大值XdT不再扩展。 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(1) 正栅压情形 零栅压情形 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容 表面能带图:n型衬底(2) 小的负栅压情形 大的负栅压情形 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1.1 能带图 需掌握内容 N型和P型半导体表面状态随外加栅压的物理变化过程 会画相应各状态能带图 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1.2 耗尽层厚度 本节内容 耗尽层厚度公式 耗尽层厚度在不同半导体表面状态的特点和原因 半导体表面状态和表面势的关系 阈值反型点和阈值电压 空间电荷层电荷与表面势的关系 2017-8-26 XIDIAN UNIVERSITY 1.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面耗尽情形 费米势 表面势 表面空间电荷区厚度 半导体表面电势与体内电势之差 半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势表示 采用单边突变结的耗尽层近似 P型衬底 耗尽层形成：正栅压，P衬表面多子空穴耗尽，留下固定不动的N