Lecure第六章理想MOS電容器ppt課件

1、 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province理想理想MOSMOS電容器電容器 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceOutline1. 積累區(qū)積累區(qū)VG04. 反型區(qū)反型區(qū)VG0 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering

2、and Technology of Anhui Province對(duì)于一個(gè)理想的對(duì)于一個(gè)理想的MOS系統(tǒng)，當(dāng)外加偏壓系統(tǒng)，當(dāng)外加偏壓VG變化時(shí)，金屬極變化時(shí)，金屬極板上的電荷板上的電荷QM和半導(dǎo)體外表空間電荷和半導(dǎo)體外表空間電荷QS都要相應(yīng)發(fā)生變化。都要相應(yīng)發(fā)生變化。闡明，闡明，MOS系統(tǒng)有一定的電容效應(yīng)，所以把它叫做系統(tǒng)有一定的電容效應(yīng)，所以把它叫做MOS電電容器；但普通說來：容器；但普通說來：QM并不正比于外加偏壓并不正比于外加偏壓VG，需求討論，需求討論微分電容。微分電容。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineer

3、ing and Technology of Anhui Province令令C為為MOS系統(tǒng)單位面積的微分電容，那么：系統(tǒng)單位面積的微分電容，那么：微分電容微分電容C的數(shù)值隨外加偏壓的數(shù)值隨外加偏壓VG變化，這變化，這個(gè)變化規(guī)律稱為個(gè)變化規(guī)律稱為MOS系統(tǒng)的電容系統(tǒng)的電容-電壓特電壓特性性S0GVVGMddVQC MSM0MGdddddd1QQVQVC Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province令:C0：絕緣層單位面積上的電容：絕緣層單位面積上的電容

4、CS：半導(dǎo)體外表空間電荷區(qū)單位面積的電容：半導(dǎo)體外表空間電荷區(qū)單位面積的電容SSSMS0M0ddddddQQCVQCSCCC1110MSM0MGdddddd1QQVQVC Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province兩個(gè)電容串聯(lián)后，總電容變小，且其數(shù)值主要由較小的一個(gè)電兩個(gè)電容串聯(lián)后，總電容變小，且其數(shù)值主要由較小的一個(gè)電容所決議，由于大部分電壓都降落在較小的電容上。容所決議，由于大部分電壓都降落在較小的電容上。C/C0稱為系統(tǒng)的歸一化電容稱為系統(tǒng)的歸

5、一化電容SSCCCCC00SCCCC/1100即有：即有： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province00M0000M xQVxVQ電場(chǎng)000M0ddxVQC Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceSSSSMSddddQQC Micro Electromechanical System Research

6、 Center of Engineering and Technology of Anhui Province當(dāng)當(dāng)MOS電容器的金屬電極上加有較大的負(fù)偏壓時(shí)，能帶明顯電容器的金屬電極上加有較大的負(fù)偏壓時(shí)，能帶明顯向上彎曲，在外表呵斥多數(shù)載流子空穴的大量積累；只需外向上彎曲，在外表呵斥多數(shù)載流子空穴的大量積累；只需外表勢(shì)表勢(shì) 稍有變化，就會(huì)引起外表空間電荷稍有變化，就會(huì)引起外表空間電荷QS的很大變化；所的很大變化；所以，半導(dǎo)體外表電容比較大，可以忽略不計(jì)。以，半導(dǎo)體外表電容比較大，可以忽略不計(jì)。MOS系統(tǒng)的電系統(tǒng)的電容根本上等于絕緣體電容容根本上等于絕緣體電容C0。當(dāng)負(fù)偏壓的數(shù)值逐漸減小時(shí)，空間

7、電荷區(qū)積累的空穴數(shù)隨之當(dāng)負(fù)偏壓的數(shù)值逐漸減小時(shí)，空間電荷區(qū)積累的空穴數(shù)隨之減少，且減少，且QS隨隨 的變化逐漸減慢，的變化逐漸減慢，CS變小，它的作用就不能變小，它的作用就不能忽略；將使總電容減小，所以負(fù)偏壓的數(shù)值愈小，忽略；將使總電容減小，所以負(fù)偏壓的數(shù)值愈小，Cs愈小，愈小，MOS電容器的總電容電容器的總電容C就愈小。就愈小。SSd00Sd )(xxpxpqQ Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanic

8、al System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province在平帶附近，空間電荷區(qū)中：在平帶附近，空間電荷區(qū)中：由空穴的過?；蚯啡币鸬碾姾擅芏龋河煽昭ǖ倪^?；蚯啡币鸬碾姾擅芏龋涸谄綆Ц浇?，在平帶附近， 。上式進(jìn)展指數(shù)項(xiàng)展開，且只保管前兩項(xiàng)。上式進(jìn)展指數(shù)項(xiàng)展開，且只保管前兩項(xiàng) T/ )(0)(Vxepxp) 1e ( )()(T/00VqpppqxKTpqVqpx02T0)(VG=0時(shí)，時(shí)， =0，能帶是平直的，稱為平帶情況，能帶是平直的，稱為平帶情況STV Micro Electromechanical

9、System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province那么，空間電荷區(qū)內(nèi)的泊松方程為：那么，空間電荷區(qū)內(nèi)的泊松方程為：式中：式中：其通解為：其通解為：2Ds0222ddLKTpqx2/102sDpqKTLKTpqx02)(s22ddxDD/LxLxBeAeassd2qNx Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Provinces, 0; 0,xx其邊界條件為：D/sLxeDD/

10、s2Ds/s02)(LxLxeLeKTpqxKTpqx02)(DD/LxLxBeAe電荷密度：電荷密度： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province半導(dǎo)體外表單位面積內(nèi)的總電荷為：半導(dǎo)體外表單位面積內(nèi)的總電荷為：空間電荷與外空間電荷與外表勢(shì)符號(hào)相反表勢(shì)符號(hào)相反平帶情況下半導(dǎo)體外表的小信號(hào)電容平帶情況下半導(dǎo)體外表的小信號(hào)電容( (微分電容微分電容) )：歸一化平帶電容：歸一化平帶電容：sDs0/s2Ds0Sdd )(DLxeLxxQLxDsSSSddL

11、QC2/1a2sDNqKTL0sD00FB11xLCC2/102sDpqKTL Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province正比氧化層厚度正比氧化層厚度正比摻雜濃度正比摻雜濃度0sD00FB11xLCC2/1a2sDNqKTL Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvincedsSSSddxQCdaSxqNQ2/1

12、SsaS)2(qNQ可得：可得：SCCC1110s2das2xqN在耗盡區(qū)，由：在耗盡區(qū)，由： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province對(duì)于氧化層有：對(duì)于氧化層有：SSCCCCC000sd0011xxCC000M0ddxVQCdsSSSddxQCS0GVV0S0CQVS0SGCQVs2aS2dxqN20asG0s0sd21CNqVCCxdaBSxqNQQ Micro Electromechanical System Research Center

13、of Engineering and Technology of Anhui Province2/1G20sa202/1Gsa2002121VxqNVqNCCCSCCCC/110020asG0s0sd21CNqVCCxdsSSSddxQC000M0ddxVQC耗盡區(qū)歸一化電容為：耗盡區(qū)歸一化電容為： Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engi

14、neering and Technology of Anhui Province出現(xiàn)反型層以后的電容出現(xiàn)反型層以后的電容C與丈量頻率有很大關(guān)系，所謂電容與丈量頻率有很大關(guān)系，所謂電容C與丈量頻率有關(guān)，就是與交變信號(hào)電壓的頻率有關(guān)。與丈量頻率有關(guān)，就是與交變信號(hào)電壓的頻率有關(guān)。在丈量電容在丈量電容C時(shí)，在時(shí)，在MOS系統(tǒng)上施加有直流偏壓系統(tǒng)上施加有直流偏壓VG，然后，然后在在VG之上再加小信號(hào)的交變電壓，使電荷之上再加小信號(hào)的交變電壓，使電荷QM變化，從而變化，從而丈量電容丈量電容C。在不同的直流偏壓下丈量。在不同的直流偏壓下丈量C ，便得到，便得到C-V關(guān)系。關(guān)系。丈量方法：丈量方法： Mic

15、ro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province在出現(xiàn)反型層以后，特別是在接近強(qiáng)反型時(shí)，外表電荷由兩部在出現(xiàn)反型層以后，特別是在接近強(qiáng)反型時(shí)，外表電荷由兩部分組成：一部分是反型層中的電子電荷分組成：一部分是反型層中的電子電荷QI，它是由少子的添，它是由少子的添加引起的；另一部

16、分是耗盡層下的電離受主電荷加引起的；另一部分是耗盡層下的電離受主電荷QB，它是由，它是由多子空穴的喪失引起的：多子空穴的喪失引起的：SBSISSSddddddQQQCBISQQQ Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province假設(shè)丈量電容的信號(hào)頻率較高，耗盡層中電子假設(shè)丈量電容的信號(hào)頻率較高，耗盡層中電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合過程跟不上信號(hào)的變化，反型層中的電子電荷復(fù)合過程跟不上信號(hào)的變化，反型層中的電子電荷QI也就來不也就來不及改動(dòng)。那么有

17、：及改動(dòng)。那么有：那么高頻情況下，反型層中的電容為：那么高頻情況下，反型層中的電容為：0ddSIQ0sd0011xxCCdsSBSddxQC Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province隨著直流偏壓隨著直流偏壓VG的添加，的添加，xd增大，電容增大，電容C按耗盡層的電容變按耗盡層的電容變化規(guī)律而減小。當(dāng)外表構(gòu)成強(qiáng)反型層時(shí)，強(qiáng)反型層中的電子化規(guī)律而減小。當(dāng)外表構(gòu)成強(qiáng)反型層時(shí)，強(qiáng)反型層中的電子電荷隨直流偏壓的添加而添加，對(duì)直流偏置電場(chǎng)起屏蔽作用。電荷隨直流

18、偏壓的添加而添加，對(duì)直流偏置電場(chǎng)起屏蔽作用。于是，耗盡層寬度不再變化，到達(dá)極大值于是，耗盡層寬度不再變化，到達(dá)極大值xdm，此時(shí)，此時(shí)，MOS系統(tǒng)的電容系統(tǒng)的電容C就到達(dá)最小值就到達(dá)最小值Cmin。且不再隨。且不再隨VG的添加而變化，的添加而變化，如圖中虛線所示。如圖中虛線所示。 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province正比氧化層厚度正比氧化層厚度正比摻雜濃度正比摻雜濃度0sd0011xxCC Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceSISddQC2在接近強(qiáng)反型區(qū)，假設(shè)丈量電容的信號(hào)頻率比較低，耗盡在接近強(qiáng)反型區(qū)，假設(shè)丈量電容的信號(hào)頻率比較低，耗盡層中電子層中電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)合過程能跟得上信號(hào)的變化，這時(shí)，空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)合過程能跟得上信號(hào)的變化，這時(shí)，反型層中的電