第五章 1 MOS電容

1、第五章 MOS電容中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院為什么要介紹MOS電容？n隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM的電荷存儲(chǔ)元件 n頻繁的應(yīng)用于線性電路和數(shù)字電路中 n現(xiàn)代電子器件MOSFET，就是建立在MOS的基礎(chǔ)之上 半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院集成電路結(jié)構(gòu) 為什么有為什么有P+？氧化層的厚度為什氧化層的厚度為什么不一樣？么不一樣？柵氧柵氧場(chǎng)氧場(chǎng)氧半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院C-V曲線半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院0GFBVV剖面圖剖面圖能帶圖能帶圖有效柵壓有效柵壓半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院n硅襯底中的能帶彎曲量硅襯底中的能帶彎曲量 n是是MOS電容特性中一個(gè)非常重

2、要的電容特性中一個(gè)非常重要的參數(shù)參數(shù) n表面勢(shì)是相對(duì)于硅襯底的體勢(shì)能的一表面勢(shì)是相對(duì)于硅襯底的體勢(shì)能的一個(gè)參考能級(jí)個(gè)參考能級(jí)n注意與功函數(shù)的區(qū)別！注意與功函數(shù)的區(qū)別！ 表面勢(shì)表面勢(shì)sq半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院積累模式n在積累模式，表面勢(shì)的改變相較于柵壓在積累模式，表面勢(shì)的改變相較于柵壓的改變量是可以被忽略的的改變量是可以被忽略的n這意味著柵壓的任何變化的絕大部分都這意味著柵壓的任何變化的絕大部分都會(huì)穿過氧化層會(huì)穿過氧化層 n電容等于柵氧電容，與柵壓獨(dú)立。電容等于柵氧電容，與柵壓獨(dú)立。 oxoxoxCt半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院外加一個(gè)較小的正有效柵壓半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院剖面

3、圖剖面圖能帶圖能帶圖GFBMGVVV半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院耗盡模式耗盡模式n耗盡層電容依賴于外加電壓耗盡層電容依賴于外加電壓n更大的柵電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更寬的耗盡層，更大的柵電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更寬的耗盡層，電容也就越小電容也就越小n隨著柵壓的增加，整體電容會(huì)減小隨著柵壓的增加，整體電容會(huì)減小MOS電容的這種工作模式稱為耗盡模電容的這種工作模式稱為耗盡模式式半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院耗盡模式耗盡模式 n表面勢(shì)緊隨著柵壓的改變而改變表面勢(shì)緊隨著柵壓的改變而改變 n這表示幾乎整個(gè)柵壓的改變量都落在了半這表示幾乎整個(gè)柵壓的改變量都落在了半導(dǎo)體表面的耗盡層導(dǎo)體表面的耗盡層 n耗盡層仿佛是柵氧之外附加

4、的一個(gè)電介質(zhì)耗盡層仿佛是柵氧之外附加的一個(gè)電介質(zhì)層層 n耗盡層電容與氧化層電容串聯(lián)在一起，整耗盡層電容與氧化層電容串聯(lián)在一起，整個(gè)個(gè)MOS電容為電容為 111oxdCCC半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院C-V曲線半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院特征點(diǎn)VMGn這個(gè)特征點(diǎn)可以用能帶圖來解釋這個(gè)特征點(diǎn)可以用能帶圖來解釋 特征點(diǎn)特征點(diǎn)半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院特征點(diǎn)VMGn柵壓增加超過平帶電壓后，沿著價(jià)帶頂柵壓增加超過平帶電壓后，沿著價(jià)帶頂與費(fèi)米能級(jí)之間差異增加的方向產(chǎn)生了與費(fèi)米能級(jí)之間差異增加的方向產(chǎn)生了能帶的彎曲能帶的彎曲 n這種情形是與表面的空穴減少（甚至最這種情形是與表面的空穴減少（甚至最終消

5、除）相聯(lián)系的終消除）相聯(lián)系的 n能帶彎曲的結(jié)果是使禁帶中央（能帶彎曲的結(jié)果是使禁帶中央（Ei線）線）接近費(fèi)米能級(jí)。接近費(fèi)米能級(jí)。n特征點(diǎn)就是當(dāng)禁帶中央特征點(diǎn)就是當(dāng)禁帶中央Ei線恰好與表面線恰好與表面處的費(fèi)米能級(jí)相交的點(diǎn)處的費(fèi)米能級(jí)相交的點(diǎn) 半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院特征點(diǎn)VMGn在特征點(diǎn)處，硅襯底的表面處于本征硅在特征點(diǎn)處，硅襯底的表面處于本征硅的情形下的情形下 n當(dāng)能帶的彎曲大于它時(shí)，禁帶中央當(dāng)能帶的彎曲大于它時(shí)，禁帶中央Ei線線在某一點(diǎn)會(huì)穿過費(fèi)米能級(jí)，使得費(fèi)米能在某一點(diǎn)會(huì)穿過費(fèi)米能級(jí)，使得費(fèi)米能級(jí)相較于離開價(jià)帶頂?shù)木嚯x而言更接近級(jí)相較于離開價(jià)帶頂?shù)木嚯x而言更接近于導(dǎo)帶底于導(dǎo)帶底 n這意

6、味著電子（這意味著電子（P型襯底中的少子）的濃型襯底中的少子）的濃度大于硅表面空穴的濃度度大于硅表面空穴的濃度在表面產(chǎn)在表面產(chǎn)生了一個(gè)反型層生了一個(gè)反型層 費(fèi)米能級(jí)的變化表費(fèi)米能級(jí)的變化表示了什么？示了什么？弱弱 反反 型型 半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院注意n反型層中的電子（反型層中的電子（P型區(qū)中的少子）來自型區(qū)中的少子）來自于熱產(chǎn)生的電子于熱產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)?？昭▽?duì)。n由于熱產(chǎn)生是一個(gè)很緩慢的過程，電子由于熱產(chǎn)生是一個(gè)很緩慢的過程，電子無法快速的響應(yīng)柵壓的改變。無法快速的響應(yīng)柵壓的改變。n因此當(dāng)柵信號(hào)的頻率高于因此當(dāng)柵信號(hào)的頻率高于100Hz時(shí)，所時(shí)，所描述的這種電容的增加無法觀察到。

7、描述的這種電容的增加無法觀察到。n高頻電容由所能達(dá)到的最大耗盡層寬度高頻電容由所能達(dá)到的最大耗盡層寬度決定。決定。 半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院能帶圖能帶圖剖面圖剖面圖GFBTVVV半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院強(qiáng)反型n在強(qiáng)反型中，柵壓的變化不會(huì)導(dǎo)致表面勢(shì)的在強(qiáng)反型中，柵壓的變化不會(huì)導(dǎo)致表面勢(shì)的顯著變化顯著變化 n這即是說，表面勢(shì)有一個(gè)固定值這即是說，表面勢(shì)有一個(gè)固定值 n方便起見，方便起見， 我們假設(shè)在強(qiáng)反型模式下我們假設(shè)在強(qiáng)反型模式下2sF半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院使表面勢(shì)達(dá)到的柵壓被定義為閾值電壓閾值電壓2FTV半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院強(qiáng)反型的C-V曲線半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院

8、光電學(xué)院半導(dǎo)體的功函數(shù)n對(duì)于半導(dǎo)體而言，功函數(shù)依賴于？n摻雜類型和摻雜水平n因?yàn)橘M(fèi)米能級(jí)的位置會(huì)隨著摻雜而改變。 2gSSFEqqq半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院費(fèi)米勢(shì) n一個(gè)重要的半導(dǎo)體參數(shù) n表達(dá)了摻雜的類型和水平 FiFqEElnlnAiDiNkTqnFNkTqnfor Pfor N半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院對(duì)于Simsq2gmsmsFEqqqqq半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院注意n強(qiáng)反型模式的開啟由閾值電壓的值決定。強(qiáng)反型模式的開啟由閾值電壓的值決定。n與閾值電壓有關(guān)的兩個(gè)近似：與閾值電壓有關(guān)的兩個(gè)近似：半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院P型襯底的MOS電容閾值電壓：N型襯底的MOS電

9、容閾值電壓：222sATFBFFoxqNVVC2sAoxqNC22TFBFFVV2sDoxqNC22TFBFFVV半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院VFB對(duì)實(shí)際的對(duì)實(shí)際的MOS結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)來說，VFB可分為兩個(gè)可分為兩個(gè)部分：部分：12FBFBFBVVV1FBmsV02FBoxQVC 半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院例1、計(jì)算閾值電壓MOS電容的工藝參數(shù)及相應(yīng)的物理參數(shù)值 參數(shù)參數(shù)符號(hào)符號(hào)值值襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度NA21016cm-3柵氧厚度柵氧厚度tox30nm氧化層電荷密度氧化層電荷密度Q0/q51010cm-2柵的類型柵的類型N+多晶硅多晶硅本征載流子濃度本征載流子濃度ni1.021010cm-3帶隙寬度帶隙寬度Eg1.12eV室溫下的熱電壓室溫下的熱電壓Vt=kT/q0.026二氧化硅介電常數(shù)二氧化硅介電常數(shù) ox3.4510-11F/m硅介電常數(shù)硅介電常數(shù) s1.0410-10F/m半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院閾值電壓的設(shè)計(jì)n 在CMOS（互補(bǔ)MOS）集成電路工藝中，對(duì)于P型襯底和N型襯底必須要提供絕對(duì)值相等的閾值電壓。n 對(duì)于N型襯底的MOS結(jié)構(gòu)，我們有必要確定其施主濃度ND的值，以保證其閾值電壓與P型襯底的MOS電容閾值電壓的絕對(duì)值相等。半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院平平 帶帶半導(dǎo)體器件中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院如何繪制MOS電容的能帶圖？ n