Lecture4 第六章 理想MOS电容器.ppt

Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province * 理想MOS电容器 Prof. Gaobin Xu Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province of Hefei University of Technology Hefei, Anhui 230009, China Tel.: E-mail: gbxu@hfut.edu.cn Chap.6 MOSFET Lecture 24：§6.2 Outline 1. 积累区（VG0） 2. 平带情况（VG=0） 3. 耗尽区（VG0） 4. 反型区（VG0） 对于一个理想的MOS系统，当外加偏压VG变化时，金属极板上的电荷QM和半导体表面空间电荷QS都要相应发生变化。说明，MOS系统有一定的电容效应，所以把它叫做MOS电容器；但一般说来：QM并不正比于外加偏压VG，需要讨论微分电容。 引言： 令C为MOS系统单位面积的微分电容，则： 微分电容C的数值随外加偏压VG变化，这个变化规律称为MOS系统的电容-电压特性 令: C0：绝缘层单位面积上的电容 CS：半导体表面空间电荷区单位面积的电容 两个电容串联后，总电容变小，且其数值主要由较小的一个电容所决定，因为大部分电压都降落在较小的电容上。 C/C0称为系统的归一化电容 即有： 对于理想MOS系统，由高斯定律： C0是一个不随外加电压变化的常数 由于半导体的表面电容CS是表面势 的函数，因而也是外加偏压的函数。显然，如果求出CS随VG变化的规律，就可以得到MOS系统的总电容C随外加偏压变化的规律。 1.积累区（VG0） 当MOS电容器的金属电极上加有较大的负偏压时，能带明显向上弯曲，在表面造成多数载流子空穴的大量积累；只要表面势 稍有变化，就会引起表面空间电荷QS的很大变化；所以，半导体表面电容比较大，可以忽略不计。MOS系统的电容基本上等于绝缘体电容C0。 当负偏压的数值逐渐减小时，空间电荷区积累的空穴数随之减少，且QS随 的变化逐渐减慢，CS变小，它的作用就不能忽略；将使总电容减小，所以负偏压的数值愈小，Cs愈小，MOS电容器的总电容C就愈小。 （VG 0） 积累区的C-V特性 归一化电容 平带情况 负偏压减小 2. 平带情况（VG=0） 在平带附近，空间电荷区中： 由空穴的过剩或欠缺引起的电荷密度： 在平带附近， 。上式进行指数项展开，且只保留前两项 VG=0时， =0，能带是平直的，称为平带情况 （VG ~ 0） 则，空间电荷区内的泊松方程为： 式中： 德拜屏蔽长度 其通解为： 德拜屏蔽长度LD标志着为了屏蔽外电场而形成的空间电荷区的厚度。 电荷密度： 半导体表面单位面积内的总电荷为： 空间电荷与表面势符号相反 平带情况下半导体表面的小信号电容(微分电容)： 在杂质饱和电离的情况下： 归一化平带电容： 正比氧化层厚度 正比掺杂浓度 3. 耗尽区（VG0） 随着外加偏压VG的增加，xd将增大，从而电容CS将减小。由CS和C0串联的，MOS电容C也将随着外加偏压VG的增加减小 可得： 在耗尽区，由： 对于氧化层有： 耗尽区归一化电容随外加偏压的增加而减小 耗尽区归一化电容为： 耗尽区的C-V特性 出现反型层以后的电容C与测量频率有很大关系，所谓电容C与测量频率有关，就是与交变信号电压的频率有关。 4. 反型区（VG0） 在测量电容C时，在MOS系统上施加有直流偏压VG，然后在VG之上再加小信号的交变电压，使电荷QM变化，从而测量电容C。在不同的直流偏压下测量C ，便得到C-V关系。 测量方法： 在积累区和耗尽区，当表面势变化时，空间电荷的变化是通过多子空穴的流动实现的，从而引起电容效应。在这种情况下，电荷变化的一般能跟得上交变电压的变化。电容与频率无关。 在出现反型层以后，特别是在接近强反型时，表面电荷由两部分组成：一部分是反型层中的电子电荷QI，它是由少子的增加引起的；另一部分是耗尽层下的电离受主电荷QB，它是由多子空穴的丧失引起的： 表面电容CS为： 如果测量电容的信号频率较高，耗尽层中电子-空穴对的产生和复合过程跟不上信号的变化，反型层中的电子电荷QI也就来不及改变。则有： 则高频情况下，反型层中的电容为： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and