半導(dǎo)體物理與材料5

1、半導(dǎo)導(dǎo)體物理與與材料、器件概論概論第五章第五章 結(jié)型、金屬結(jié)型、金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管5.1 5.1 介紹介紹 本章要討論結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和金屬本章要討論結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和金屬氧化層氧化層半導(dǎo)體場(chǎng)半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。兩者都只以一種極性的載流子參加導(dǎo)電，因效應(yīng)晶體管。兩者都只以一種極性的載流子參加導(dǎo)電，因此統(tǒng)稱為單極器件此統(tǒng)稱為單極器件(Unipolardevices). 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管常以它的英文縮寫結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管常以它的英文縮寫JFET(Junction-field-effect transistor)作為簡(jiǎn)稱。從本質(zhì)意義上說(shuō)，它是一個(gè)作為簡(jiǎn)稱。

2、從本質(zhì)意義上說(shuō)，它是一個(gè)由由電壓控制的電阻器電壓控制的電阻器，由兩個(gè)反偏，由兩個(gè)反偏p-n結(jié)夾住的區(qū)域成為一結(jié)夾住的區(qū)域成為一導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電能力受垂直于導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)控制，因?qū)щ姕系溃鋵?dǎo)電能力受垂直于導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)控制，因此通過(guò)溝道的電流受輸入信號(hào)的調(diào)制。此通過(guò)溝道的電流受輸入信號(hào)的調(diào)制。 由于由于FET都是單極器件，因此不受少數(shù)載流子儲(chǔ)存效應(yīng)的都是單極器件，因此不受少數(shù)載流子儲(chǔ)存效應(yīng)的影響，有比雙極型器件更高的開關(guān)速度和截止頻率。影響，有比雙極型器件更高的開關(guān)速度和截止頻率。 金屬金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱MOS結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)或MOS電容。電容。它是研究半導(dǎo)體表面最為有用的

3、對(duì)象。所有半導(dǎo)體器件它是研究半導(dǎo)體表面最為有用的對(duì)象。所有半導(dǎo)體器件的可靠性和穩(wěn)定性都與它們的表面狀態(tài)有著緊密的聯(lián)系，的可靠性和穩(wěn)定性都與它們的表面狀態(tài)有著緊密的聯(lián)系，藉助于藉助于MOS結(jié)構(gòu)，可以對(duì)半導(dǎo)體表面物理狀態(tài)進(jìn)行研究。結(jié)構(gòu)，可以對(duì)半導(dǎo)體表面物理狀態(tài)進(jìn)行研究。此外，此外，MOS結(jié)構(gòu)在集成電路中可作為儲(chǔ)存電容，在電荷結(jié)構(gòu)在集成電路中可作為儲(chǔ)存電容，在電荷耦合器件耦合器件(Charge-couple devices)中可作為一個(gè)基本的單中可作為一個(gè)基本的單元。元。 金屬金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的英文簡(jiǎn)稱為半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的英文簡(jiǎn)稱為MOSFET(Metaloxide-semico

4、nductor field-effect transistor).它由兩個(gè)緊挨著的它由兩個(gè)緊挨著的MOS結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成.MOSFET的的工作特性與工作特性與JFET類似，并具有功耗低、容易集成等優(yōu)點(diǎn)，類似，并具有功耗低、容易集成等優(yōu)點(diǎn)，是目前大規(guī)模集成電路中最重要的器件單元是目前大規(guī)模集成電路中最重要的器件單元,已廣泛應(yīng)用已廣泛應(yīng)用于集成微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等領(lǐng)域。于集成微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等領(lǐng)域。 5.2 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)5.2.1工作原理工作原理JFET的理論是的理論是1952年由肖克萊首先提出來(lái)的年由肖克萊首先提出來(lái)的.一年后制成了這種具有一年后制成了這

5、種具有場(chǎng)效應(yīng)特性的晶體管。這一節(jié)中將介紹場(chǎng)效應(yīng)特性的晶體管。這一節(jié)中將介紹JFET的工作原理、電流的工作原理、電流電電壓特性以及頻率特性。壓特性以及頻率特性。 結(jié)構(gòu)如圖結(jié)構(gòu)如圖5-1所示，它有兩個(gè)金屬與半導(dǎo)體的歐姆接觸，其中一個(gè)稱所示，它有兩個(gè)金屬與半導(dǎo)體的歐姆接觸，其中一個(gè)稱為源極為源極S(Source)，另一個(gè)為漏極，另一個(gè)為漏極D(Drain)，夾在兩個(gè)，夾在兩個(gè)p-n結(jié)耗盡層之結(jié)耗盡層之間的區(qū)域?yàn)閷?dǎo)電溝道。間的區(qū)域?yàn)閷?dǎo)電溝道。 (a) JFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) DGSDGSN及及P溝道溝道JFET表示符號(hào)表示符號(hào) 在通常情況下在通常情況下,上上,下兩個(gè)柵極連在一起，所加?xùn)艠O電壓下兩個(gè)柵極連在一

6、起，所加?xùn)艠O電壓使柵結(jié)為零偏或反偏，漏極加一個(gè)小的正電壓使柵結(jié)為零偏或反偏，漏極加一個(gè)小的正電壓VDS時(shí)形時(shí)形成一由漏向源的漏電流。圖成一由漏向源的漏電流。圖5-1所示器件的溝道是所示器件的溝道是n型的，型的，因此稱這種器件為因此稱這種器件為n溝道溝道JFET。 (b)JEFT中間區(qū)域的截面圖中間區(qū)域的截面圖 柵結(jié)為零偏壓時(shí)的溝道電阻柵結(jié)為零偏壓時(shí)的溝道電阻: :)(2WaZNqLANqLALRDnDn其中其中ND為施主濃度為施主濃度,A=2Z(a-W)為有電流流過(guò)的截面積為有電流流過(guò)的截面積,W為上為上,下下p+n的耗盡層寬度。的耗盡層寬度。 IDVD線性線性不同偏壓下的不同偏壓下的JFET

7、的耗盡層寬度及輸出特性的耗盡層寬度及輸出特性(a) 當(dāng)當(dāng)VG0，VDS0時(shí)，時(shí)，溝道內(nèi)有一很小的溝道內(nèi)有一很小的漏漏電流電流IDVDSR,電流電流隨電壓線性增加隨電壓線性增加. .由于重?fù)诫s由于重?fù)诫sP+區(qū)的電導(dǎo)率很高，可區(qū)的電導(dǎo)率很高，可以認(rèn)為柵區(qū)上的電位處處相等，而以認(rèn)為柵區(qū)上的電位處處相等，而溝道區(qū)電阻使電位沿溝道從漏向源溝道區(qū)電阻使電位沿溝道從漏向源逐漸降低，因此當(dāng)逐漸降低，因此當(dāng)VDS0時(shí)，時(shí)，兩個(gè)兩個(gè)p+n結(jié)反偏結(jié)反偏，反向偏壓在靠近漏極，反向偏壓在靠近漏極處較大，靠近源極處較小，耗盡層處較大，靠近源極處較小，耗盡層靠近漏極處變寬?？拷O處變寬。隨著隨著VD的增加的增加溝道截溝道

8、截面積會(huì)變小面積會(huì)變小，而溝道，而溝道電阻將增大電阻將增大,因此因此ID隨隨VD的增加速率逐漸減的增加速率逐漸減慢。慢。IDVDIDsatVDsat夾斷夾斷不同偏壓下的不同偏壓下的JFET的耗盡層寬度及輸出特性的耗盡層寬度及輸出特性(b) 相應(yīng)的漏電壓相應(yīng)的漏電壓VDSVDsat稱為飽和電壓稱為飽和電壓,相應(yīng)相應(yīng)的漏電流的漏電流IDIDsat稱為稱為飽和漏電流飽和漏電流. .當(dāng)漏電壓當(dāng)漏電壓VDS繼續(xù)增加時(shí)，繼續(xù)增加時(shí)，耗盡區(qū)寬度也繼續(xù)增加，耗盡區(qū)寬度也繼續(xù)增加，最終將使靠近漏極的兩耗最終將使靠近漏極的兩耗盡層相接觸。這時(shí)的耗盡盡層相接觸。這時(shí)的耗盡層最大寬度為層最大寬度為Wa，漏極，漏極附近

9、的溝道寬度為零，附近的溝道寬度為零，溝道被夾斷溝道被夾斷.aIDVDIDsatVDsat飽和飽和不同偏壓下的不同偏壓下的JFET的耗盡層寬度及輸出特性的耗盡層寬度及輸出特性(c) 當(dāng)當(dāng)VDVDsat時(shí)，靠近漏時(shí)，靠近漏極一側(cè)的耗盡層變得更極一側(cè)的耗盡層變得更寬，溝道的夾斷點(diǎn)寬，溝道的夾斷點(diǎn)p向向源極方向略微移動(dòng)。源極方向略微移動(dòng)。由于由于p點(diǎn)電位保持不變點(diǎn)電位保持不變,仍仍為為VDsat,因此單位時(shí)間內(nèi)來(lái)因此單位時(shí)間內(nèi)來(lái)自源極并到達(dá)自源極并到達(dá)p點(diǎn)的電子點(diǎn)的電子數(shù)不變，即溝道內(nèi)的數(shù)不變，即溝道內(nèi)的電流不變，仍為電流不變，仍為IDIDsat并與并與VD無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。IDVDIDsatVDsat不同

10、偏壓下的不同偏壓下的JFET的耗盡層寬度及輸出特性的耗盡層寬度及輸出特性(d) VG=-1VVG=0當(dāng)當(dāng)JFET的柵源之間加了的柵源之間加了VGS-1V的電壓時(shí)的電壓時(shí),其初始電流比其初始電流比VG0時(shí)時(shí)的小許多。同時(shí)的小許多。同時(shí),柵源加上負(fù)電壓柵源加上負(fù)電壓后后,JFET的溝道夾斷電壓的溝道夾斷電壓(pinch-off voltage)VDsat也將比也將比VGS0的低。的低。當(dāng)柵源之間加上一負(fù)電壓，當(dāng)柵源之間加上一負(fù)電壓，柵結(jié)耗盡層寬度增大，在柵結(jié)耗盡層寬度增大，在給定的給定的VDS電壓下，溝道截電壓下，溝道截面積將比柵源電壓面積將比柵源電壓VGS0時(shí)的更小時(shí)的更小.5.2.2電流電流電

11、壓特性電壓特性 下面討論如圖下面討論如圖5-3(a)所示所示JFET在夾斷前的在夾斷前的電流電流電壓特性電壓特性。沿溝道變化的漏。沿溝道變化的漏源電壓如圖源電壓如圖5-3(b)所示所示.在溝道上取一微分元在溝道上取一微分元dy，在，在dy上的壓降可由下式給出上的壓降可由下式給出:)(2yWaZNqdyIdRIdVDnDDV(y)y0L LVDyzdyy y+dy溝道區(qū)的耗盡層擴(kuò)展沿溝道降落的漏溝道區(qū)的耗盡層擴(kuò)展沿溝道降落的漏- -源電壓源電壓 源源 漏漏VDLRS在離源的距離為在離源的距離為y處，耗盡層寬度可由處，耗盡層寬度可由p+n突變結(jié)耗盡層寬度表達(dá)突變結(jié)耗盡層寬度表達(dá)式表示（從式表示（從

12、2.62式）式）: 02 ( )( )sGSbiDV yVVW yqN 這里為了避免與漏電壓這里為了避免與漏電壓(VDS)混淆，特將柵結(jié)的接觸電勢(shì)差用混淆，特將柵結(jié)的接觸電勢(shì)差用Vbi表示。漏電流表示。漏電流ID是與是與y無(wú)關(guān)的常數(shù)。式無(wú)關(guān)的常數(shù)。式(5.2)也可寫成也可寫成:dVyWaZNqdyIDnD)(2式式5.3兩邊平方，再對(duì)兩邊平方，再對(duì)V微分可得微分可得:WdWqNdVSD0( )totGSbiVV yVV將上式代入將上式代入5.4,并從并從y=0,W=W1,到到y(tǒng)=L,W=W2積分得積分得:21222233212100122() ()()3WnDDDnDWSSZq NqNIqN

13、Z a WWdWa WWWWLL 上式稱為上式稱為n溝道溝道JFET的基本的基本I-V方程方程.當(dāng)當(dāng)W2=a時(shí)時(shí),溝道夾斷溝道夾斷,漏電流達(dá)漏電流達(dá)到飽和值到飽和值IDsat.因此得因此得: )231 (33312210322aWaWLaNqZISDnDsat根據(jù)根據(jù)5.3式式,y=0,時(shí)，時(shí)，V(y)=0,得得2/101/)(2qNVVWDGSbiS代入上式代入上式, ,得得: :)(2)( 31 32/30322pGSbipGSbiSDnDsatVVVVVVLaNqZI20()2DpDsatbiGSSqN aVVVV 稱為夾斷電壓稱為夾斷電壓( (剛夾斷時(shí)夾斷點(diǎn)剛夾斷時(shí)夾斷點(diǎn)的總電壓）的總

14、電壓）. .Vp=3.2V的理想的理想N溝道溝道JFET的的I-V特性曲線特性曲線 線性區(qū)或可變線性區(qū)或可變電阻區(qū)電阻區(qū)IDVDSR飽和區(qū)或恒飽和區(qū)或恒流區(qū)流區(qū)IDIDsat夾斷區(qū)夾斷區(qū)全程夾斷全程夾斷夾斷夾斷5.2.3 漏極電導(dǎo)與跨導(dǎo)漏極電導(dǎo)與跨導(dǎo)將將n溝道的漏端與源端處溝道的漏端與源端處p+n結(jié)的耗盡層寬度結(jié)的耗盡層寬度,5.3式，式，y=L時(shí)，時(shí)，V(y)=VDS,y=0時(shí)時(shí),V(y)=0,得得:2/102/ )(2DGSbiDSSqNVVVW2/101/ )(2DGSbiSqNVVW代入式代入式5.6式式,得到得到I-V特性另一表達(dá)式特性另一表達(dá)式:)()(2323/23/200GSb

15、iGSbiDSDSDSDVVVVVqNaVGI其中其中: : LaqNZGDn/20為兩個(gè)為兩個(gè)p+np+n結(jié)的耗盡層寬度為零時(shí)的溝道電導(dǎo)。結(jié)的耗盡層寬度為零時(shí)的溝道電導(dǎo)。 漏極電導(dǎo)漏極電導(dǎo)定義為定義為: : DSDDVIgVGS=常數(shù)常數(shù). 將式將式5.12代入上式，得代入上式，得: )()2(22/12/12/10GSbiDSpDSnDVVVVqNLZg在柵極電壓在柵極電壓VGS一定時(shí)，使溝道夾斷的飽和漏電壓為一定時(shí)，使溝道夾斷的飽和漏電壓為:GSbipDsatVVVV因此，當(dāng)因此，當(dāng)VGS=Vp-Vbi時(shí)，時(shí)，VDsat0，即溝道在它的全部長(zhǎng)，即溝道在它的全部長(zhǎng)度范圍都被夾斷，只要漏極電

16、壓小于度范圍都被夾斷，只要漏極電壓小于p+n結(jié)的雪崩擊穿結(jié)的雪崩擊穿電壓，這時(shí)的電壓，這時(shí)的ID只是很小的反向飽和電流（只是很小的反向飽和電流（全程夾斷，全程夾斷，沒(méi)有中性區(qū)，兩個(gè)耗盡層緊貼在一起沒(méi)有中性區(qū)，兩個(gè)耗盡層緊貼在一起）。）。 另一個(gè)重要參數(shù)是另一個(gè)重要參數(shù)是跨導(dǎo)跨導(dǎo)gm其定義為其定義為 ,GSDmVIg VDS=常數(shù)常數(shù) 它表示對(duì)于一給定的漏電壓，柵電壓對(duì)漏電流的控制它表示對(duì)于一給定的漏電壓，柵電壓對(duì)漏電流的控制本領(lǐng)。將式本領(lǐng)。將式5.12代入上式，得代入上式，得: )()()2(22/ 12/ 12/ 10GSbiGSbiDSDSnmVVVVVqNLZg由上式可見由上式可見,gm

17、與與ZL(溝道的寬長(zhǎng)比溝道的寬長(zhǎng)比)成正比。由于工藝成正比。由于工藝水平以及溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的影響，溝道長(zhǎng)度不能太短，水平以及溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的影響，溝道長(zhǎng)度不能太短，因此為了得到一個(gè)大跨導(dǎo)的因此為了得到一個(gè)大跨導(dǎo)的JFET常常將一個(gè)常常將一個(gè)JFET分解分解為多個(gè)單元為多個(gè)單元 JFET的并聯(lián)的并聯(lián)(即采用即采用梳狀結(jié)構(gòu)梳狀結(jié)構(gòu))，以此來(lái)增，以此來(lái)增加溝道的寬度。加溝道的寬度。 由以上關(guān)于由以上關(guān)于JFET直流特性的討論可知，漏電流是直流特性的討論可知，漏電流是VDS和和VGS的函數(shù)的函數(shù),即即IDID(VDS,VGS)。以下小寫。以下小寫v與與i代表交流電代表交流電,當(dāng)交流的漏電壓當(dāng)交流的

18、漏電壓vD與柵電壓與柵電壓vG疊加到直流電壓上時(shí)，漏疊加到直流電壓上時(shí)，漏電流應(yīng)修正為電流應(yīng)修正為iD+ID(VDS,VGS)，其中，其中iD是漏電流的交流分量。是漏電流的交流分量。假定假定JFET對(duì)交流電壓的響應(yīng)很快，則有對(duì)交流電壓的響應(yīng)很快，則有:5.2.4 小信號(hào)等效電路小信號(hào)等效電路),(),(GSGSDSDSDGSDSDDvVvVIVVIi),(),(GSDSDGSGSDSDSDDVVIvVvVIi將上式右邊第一項(xiàng)以泰勒級(jí)數(shù)展開，保留直流和交流電將上式右邊第一項(xiàng)以泰勒級(jí)數(shù)展開，保留直流和交流電壓的線性項(xiàng)，可得壓的線性項(xiàng)，可得: GSVGSDDSVDSDDvVIvVIiDSGS根據(jù)漏極

19、電導(dǎo)與跨導(dǎo)的定義，上式又可寫成根據(jù)漏極電導(dǎo)與跨導(dǎo)的定義，上式又可寫成:GSmDSDDvgvgi在前面的討論中僅涉及可以由柵結(jié)調(diào)制的溝道電阻。在實(shí)際器件中還在前面的討論中僅涉及可以由柵結(jié)調(diào)制的溝道電阻。在實(shí)際器件中還有如圖有如圖5-5所示鄰近源、漏兩端的串聯(lián)電阻。這類電阻在源、漏電極所示鄰近源、漏兩端的串聯(lián)電阻。這類電阻在源、漏電極與溝道之間產(chǎn)生電壓降落。這些串聯(lián)電阻對(duì)柵極電導(dǎo)和跨導(dǎo)都會(huì)有影與溝道之間產(chǎn)生電壓降落。這些串聯(lián)電阻對(duì)柵極電導(dǎo)和跨導(dǎo)都會(huì)有影響。響。 SDSnDG=GRSRDp+激活激活溝道溝道 GS,D附近存在串聯(lián)電阻的附近存在串聯(lián)電阻的JFET ID 由于上述串聯(lián)電阻的存在由于上述串

20、聯(lián)電阻的存在,實(shí)際的漏極電導(dǎo)和跨導(dǎo)都會(huì)減實(shí)際的漏極電導(dǎo)和跨導(dǎo)都會(huì)減小小,不再詳細(xì)推導(dǎo)不再詳細(xì)推導(dǎo):)(DSDDSSDRRIVVDDSmSmmgRRgRgg)(1DDSmSDDgRRgRgg)(1降落于有附帶串聯(lián)電阻的降落于有附帶串聯(lián)電阻的JFET漏、源之間的電壓為漏、源之間的電壓為: SDGSSGRIVVRS包括了漏電阻包括了漏電阻RD.由于由于JFET有很高的輸入有很高的輸入阻抗阻抗,因此等效因此等效電路的輸入部電路的輸入部分分(左邊左邊)畫成畫成開路開路,電路中還電路中還畫出了源電阻畫出了源電阻RS.CGS為柵源間的耗盡層電為柵源間的耗盡層電容容,CGD是柵漏間的耗盡是柵漏間的耗盡層電容層

21、電容,gmvG是電流源是電流源,CDS是漏源間的管殼封裝是漏源間的管殼封裝寄生電容寄生電容,gD是漏極電導(dǎo)是漏極電導(dǎo).柵結(jié)的反向漏電阻柵結(jié)的反向漏電阻RGS和和RGD很大很大,可以忽略可以忽略,在圖在圖中以虛線連接中以虛線連接. GDSRDRGDgDRGSCGDCGSCDSvGgmvGvDiD JFET的低頻和高頻小信號(hào)等效電路的低頻和高頻小信號(hào)等效電路 RSDRDgDvGgmvGvDiD GS JFET工作時(shí)，載流子通過(guò)溝道需要一定的傳輸時(shí)間，柵極電壓隨工作時(shí)，載流子通過(guò)溝道需要一定的傳輸時(shí)間，柵極電壓隨外加信號(hào)電壓變化時(shí)，漏電流將對(duì)柵結(jié)耗盡層電容充放電。以上兩外加信號(hào)電壓變化時(shí)，漏電流將對(duì)

22、柵結(jié)耗盡層電容充放電。以上兩因素使因素使JFET的高頻應(yīng)用受到限制。的高頻應(yīng)用受到限制。 5.2.5 截止頻率截止頻率JFET的最大工作頻率是指的最大工作頻率是指JFET失去放大輸入信號(hào)能力失去放大輸入信號(hào)能力時(shí)的效率。時(shí)的效率。在在等效電路的輸出短路并忽略串聯(lián)電阻等效電路的輸出短路并忽略串聯(lián)電阻時(shí)，通過(guò)輸入電容的電流時(shí)，通過(guò)輸入電容的電流iin在最大工作頻率在最大工作頻率fT下，應(yīng)等于輸出漏電流，下，應(yīng)等于輸出漏電流，即電流放大系數(shù)為即電流放大系數(shù)為1。因此有因此有: gGTgGDGSTinvCfvCCfi2)(2其中其中CG=CGS+CGD.輸出電流為輸出電流為: gmoutvgi由輸入電

23、流等于輸出電流，由輸入電流等于輸出電流，可以求出截止頻率可以求出截止頻率:GmTCgf2/由前面可知，由前面可知，gm與與ZnL成正比成正比,CG與柵結(jié)面積成正比，因此要改與柵結(jié)面積成正比，因此要改善善JFET的高頻性能的高頻性能,應(yīng)使用載流子遷移率高的材料并使器件具有較應(yīng)使用載流子遷移率高的材料并使器件具有較短的溝道，較小的面積。短的溝道，較小的面積。 金屬金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (Metal-semiconductor field-effect transistor)這種器件簡(jiǎn)稱為這種器件簡(jiǎn)稱為MESFET，它的基本工作情況與，它的基本工作情況與JFET相同，只是以相同，

24、只是以肖特基結(jié)肖特基結(jié)(金金半結(jié)半結(jié))取代取代JFET中的柵中的柵pn結(jié)結(jié)。實(shí)用的。實(shí)用的MESFET采用采用半絕緣材料為襯底，因此寄生電容很小。圖半絕緣材料為襯底，因此寄生電容很小。圖5-7為為MESFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，其中圖，其中n型區(qū)為型區(qū)為III-V族化合物族化合物(如砷化鎵如砷化鎵)外延層，它有很高的電子外延層，它有很高的電子遷移率，因此其截止頻率也較高。遷移率，因此其截止頻率也較高。 MESFET結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖肖特肖特基結(jié)基結(jié)5.3 MOS 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 金屬金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體半導(dǎo)體(以下簡(jiǎn)稱以下簡(jiǎn)稱MOS)結(jié)構(gòu)在半結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體器件中占有重要地位，因?yàn)闊o(wú)論雙極型器件還是導(dǎo)體器件中

25、占有重要地位，因?yàn)闊o(wú)論雙極型器件還是本章討論的單極型器件，本章討論的單極型器件，MOS結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體器件中總結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體器件中總是普遍存在的。業(yè)已證明這種結(jié)構(gòu)不僅對(duì)于半導(dǎo)體表是普遍存在的。業(yè)已證明這種結(jié)構(gòu)不僅對(duì)于半導(dǎo)體表面的研究是十分有用的而且是面的研究是十分有用的而且是MOSFET大規(guī)模集成電大規(guī)模集成電路路 (VLSl)的心臟。的心臟。 本節(jié)先討論理想本節(jié)先討論理想MOS結(jié)構(gòu)的特性，再引伸到實(shí)際結(jié)構(gòu)的特性，再引伸到實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)，即考慮金屬結(jié)構(gòu)，即考慮金屬半導(dǎo)體功函數(shù)差及氧化層電半導(dǎo)體功函數(shù)差及氧化層電荷荷,界面態(tài)等對(duì)界面態(tài)等對(duì)MOS結(jié)構(gòu)特性的影響。結(jié)構(gòu)特性的影響。 5.3.1理想理想MOS

26、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) VG0時(shí)，理想時(shí)，理想MOS結(jié)構(gòu)的能帶如圖結(jié)構(gòu)的能帶如圖5-9所示所示(相當(dāng)于一個(gè)相當(dāng)于一個(gè)電容電容）。所謂理）。所謂理想想MOS結(jié)構(gòu)，必須滿足結(jié)構(gòu)，必須滿足三個(gè)條件三個(gè)條件： (1)在外加零偏電壓時(shí)，金屬功函數(shù)與半導(dǎo)體的功函數(shù)之差為零，這時(shí)的在外加零偏電壓時(shí)，金屬功函數(shù)與半導(dǎo)體的功函數(shù)之差為零，這時(shí)的能帶是平直的。能帶是平直的。(2)在任何偏置條件下，在任何偏置條件下，MOS結(jié)構(gòu)內(nèi)的電荷僅分布于金屬與氧化層的邊界結(jié)構(gòu)內(nèi)的電荷僅分布于金屬與氧化層的邊界附近及半導(dǎo)體的表面層附近及半導(dǎo)體的表面層,兩側(cè)的電量相等極性相反兩側(cè)的電量相等極性相反.(3)在直流偏置下，沒(méi)有載流于穿過(guò)氧化層，即認(rèn)

27、為氧化層的電阻無(wú)限大。在直流偏置下，沒(méi)有載流于穿過(guò)氧化層，即認(rèn)為氧化層的電阻無(wú)限大。 mqECEVEFEi(EF)msqsqqVBEg/2d真空能級(jí)真空能級(jí)金屬金屬P型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體VGAlSiP型型SiO2d0 x MOS結(jié)構(gòu)截面圖結(jié)構(gòu)截面圖 VG=0時(shí)的理想時(shí)的理想MOS能帶圖能帶圖 歐姆接觸歐姆接觸 d為氧化層厚度，為氧化層厚度，VG為加在金屬電極上的電壓，規(guī)定由表為加在金屬電極上的電壓，規(guī)定由表面指向半導(dǎo)體體內(nèi)的電壓降落為正。面指向半導(dǎo)體體內(nèi)的電壓降落為正。 VG0時(shí)，金屬功函數(shù)與半導(dǎo)體的功函數(shù)之差為零，即時(shí)，金屬功函數(shù)與半導(dǎo)體的功函數(shù)之差為零，即: q(m-s)0。 引入半導(dǎo)體的電子

28、親和力引入半導(dǎo)體的電子親和力(Electron affinity)qs和費(fèi)米能級(jí)和費(fèi)米能級(jí)與本征費(fèi)米能級(jí)之差與本征費(fèi)米能級(jí)之差qVB,可將上述條件由下式表示：可將上述條件由下式表示：0)2()(BgsmsmmsqVEqqqq這時(shí)的這時(shí)的能帶是平直能帶是平直的的. . BiFqVEE 當(dāng)理想當(dāng)理想MOS結(jié)構(gòu)的金屬電極上加一正電壓或負(fù)電壓時(shí)，半導(dǎo)結(jié)構(gòu)的金屬電極上加一正電壓或負(fù)電壓時(shí)，半導(dǎo)體表面能帶及表面電荷有體表面能帶及表面電荷有三種最基本的狀態(tài)三種最基本的狀態(tài)-積累、耗盡、反積累、耗盡、反型型。 當(dāng)當(dāng)VG0時(shí)，對(duì)于時(shí)，對(duì)于p-MOS結(jié)構(gòu)，鄰近半導(dǎo)體表面的能帶向上彎曲，結(jié)構(gòu)，鄰近半導(dǎo)體表面的能帶向

29、上彎曲，對(duì)于一個(gè)對(duì)于一個(gè)理想理想的的MOS結(jié)構(gòu)，不管外加電壓取什么值、什么極性，結(jié)構(gòu)，不管外加電壓取什么值、什么極性，結(jié)構(gòu)內(nèi)部總是沒(méi)有電流流過(guò)，因此半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)保持不變結(jié)構(gòu)內(nèi)部總是沒(méi)有電流流過(guò)，因此半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)保持不變（與（與PN結(jié)不同）。半導(dǎo)體載流子濃度可用下式表示結(jié)不同）。半導(dǎo)體載流子濃度可用下式表示: / )exp(,/ )exp(00kTEEnpkTEEnnFiiiFi由由VG0引起鄰近半導(dǎo)體表面處能帶向上的彎曲會(huì)導(dǎo)致引起鄰近半導(dǎo)體表面處能帶向上的彎曲會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體表面半導(dǎo)體表面附近附近(Ei一一EF)的變大的變大，并進(jìn)而使，并進(jìn)而使Ei(本征費(fèi)米能級(jí)本征費(fèi)米能級(jí))導(dǎo)體表面處發(fā)生

30、多導(dǎo)體表面處發(fā)生多數(shù)載流子數(shù)載流子空穴的堆積，空穴的堆積，p0增加增加在遠(yuǎn)離半導(dǎo)體表面的內(nèi)部，假如在遠(yuǎn)離半導(dǎo)體表面的內(nèi)部，假如半導(dǎo)體的電導(dǎo)足夠大則可忽略其電壓降落，半導(dǎo)體的電導(dǎo)足夠大則可忽略其電壓降落， 即半導(dǎo)體內(nèi)部能帶保即半導(dǎo)體內(nèi)部能帶保持平直，持平直，內(nèi)部的載流子濃度仍等于熱平衡時(shí)的數(shù)值內(nèi)部的載流子濃度仍等于熱平衡時(shí)的數(shù)值。 EFVG0ECEVEFEidd表面處，表面處，Ei-EF變大變大只感應(yīng)出空穴堆只感應(yīng)出空穴堆積積QmQs0VG0,小小ECEVEFEidd表面處，表面處，Ei-EF變變小，甚至為小，甚至為0只感應(yīng)出負(fù)空間只感應(yīng)出負(fù)空間電荷電荷QmQsc當(dāng)當(dāng)VG為一較小的正電壓時(shí)，理想

31、為一較小的正電壓時(shí)，理想p-MOS結(jié)構(gòu)的能帶在表面處向下彎結(jié)構(gòu)的能帶在表面處向下彎曲。表面處的曲。表面處的多子多子空穴空穴將被耗盡將被耗盡(被正電場(chǎng)趕走被正電場(chǎng)趕走）,形成一形成一負(fù)空間電負(fù)空間電荷區(qū)荷區(qū),表面處單位面積中的空間電荷為表面處單位面積中的空間電荷為: WqNQAsc0 W理想理想P型型MOS結(jié)構(gòu)的能帶和電荷分布結(jié)構(gòu)的能帶和電荷分布 b:耗盡耗盡; 當(dāng)當(dāng)VG為一個(gè)較大的正電壓時(shí)，能帶將進(jìn)一步向下彎曲，使表面處的為一個(gè)較大的正電壓時(shí)，能帶將進(jìn)一步向下彎曲，使表面處的本征能級(jí)本征能級(jí)Ei位于費(fèi)米能級(jí)以下。根據(jù)式位于費(fèi)米能級(jí)以下。根據(jù)式5.29a，b可知，這時(shí)在半導(dǎo)體可知，這時(shí)在半導(dǎo)體表

32、面將有表面將有EF-Ei0，因此，因此,P型半導(dǎo)體表面處的電子濃度型半導(dǎo)體表面處的電子濃度n0將超過(guò)將超過(guò)ni，空空穴濃度則小于穴濃度則小于ni,于是表面處的電子濃度超過(guò)空穴濃度（質(zhì)量作用定于是表面處的電子濃度超過(guò)空穴濃度（質(zhì)量作用定律），使律），使表面發(fā)生反型表面發(fā)生反型.如果如果VG繼續(xù)增大，半導(dǎo)體能帶將繼續(xù)向下彎繼續(xù)增大，半導(dǎo)體能帶將繼續(xù)向下彎曲，使導(dǎo)帶底與費(fèi)米能級(jí)接近。這時(shí)，表面附近的子濃度增加得很曲，使導(dǎo)帶底與費(fèi)米能級(jí)接近。這時(shí)，表面附近的子濃度增加得很快。這以后快。這以后,半導(dǎo)體表面中絕大部分再追加的負(fù)電荷由極薄的反型層半導(dǎo)體表面中絕大部分再追加的負(fù)電荷由極薄的反型層(0 xxi)

33、電子電荷組成。反型層厚度的典型值為電子電荷組成。反型層厚度的典型值為10100，比表面耗，比表面耗盡層薄得多。盡層薄得多。一旦反型層形成后，表面耗盡層達(dá)到極大一旦反型層形成后，表面耗盡層達(dá)到極大。 EFVG0,大大ECEVEFEidd表面處，表面處，Ei下穿下穿EF，EF-Ei0既有空間電荷，既有空間電荷，又有反型層電荷又有反型層電荷QmQsc0 Wm理想理想P型型MOS結(jié)構(gòu)的能帶和電荷分布結(jié)構(gòu)的能帶和電荷分布 c:反型反型 ScnSQQQmAScWqNQQnxi下面推導(dǎo)下面推導(dǎo)MOS結(jié)構(gòu)的電容性質(zhì)：結(jié)構(gòu)的電容性質(zhì)：外加于一外加于一MOS結(jié)構(gòu)的電壓結(jié)構(gòu)的電壓VG主要降落于氧化層及半導(dǎo)體主要降落

34、于氧化層及半導(dǎo)體的表面層的表面層.半導(dǎo)體的表面相對(duì)于體內(nèi)的電勢(shì)稱為表面勢(shì)半導(dǎo)體的表面相對(duì)于體內(nèi)的電勢(shì)稱為表面勢(shì),當(dāng)當(dāng)表面勢(shì)高于體內(nèi)時(shí)定為表面勢(shì)高于體內(nèi)時(shí)定為VS0,反之反之VS0.表面空間電荷層內(nèi)表面空間電荷層內(nèi),作為位置函數(shù)的電勢(shì)作為位置函數(shù)的電勢(shì)VS在一維近似時(shí)在一維近似時(shí),符合下列符合下列Poission方程方程:022)(SxdxVd其中其中S為半導(dǎo)體相對(duì)介電常數(shù)，為半導(dǎo)體相對(duì)介電常數(shù)，(x)為總的表面空間電荷密度為總的表面空間電荷密度:)()(ppADnpNNqx上式中上式中NA,ND分別表示電離受主與電離施主的濃度，分別表示電離受主與電離施主的濃度，pp,np則為則為x處的空穴濃度

35、與電子濃度。處的空穴濃度與電子濃度。 在表面空間電荷層在表面空間電荷層,由于表面層有電勢(shì)降，因此電子有附由于表面層有電勢(shì)降，因此電子有附加勢(shì)能加勢(shì)能-qV(x)，空穴有附加勢(shì)能，空穴有附加勢(shì)能qV(x),如果經(jīng)典的玻爾茲如果經(jīng)典的玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)仍然成立，則有（注入定理）：曼統(tǒng)計(jì)仍然成立，則有（注入定理）： )/exp(),/exp(00kTqVppkTqVnnpppp上式中上式中np0,pp0分別為分別為p型半導(dǎo)體在熱平衡時(shí)的電子濃度和型半導(dǎo)體在熱平衡時(shí)的電子濃度和空穴濃度。在半導(dǎo)體體內(nèi)，根據(jù)電中性條件應(yīng)有空穴濃度。在半導(dǎo)體體內(nèi)，根據(jù)電中性條件應(yīng)有: 00ppADpnNN將式將式5.34，5.3

36、6,5.35代入式代入式5.33，得，得: 1)/exp( 1)/exp(00022kTqVnkTqVpqdxVdppS上式兩邊乘以上式兩邊乘以dV，再積分，并考慮到電場(chǎng)強(qiáng)度，再積分，并考慮到電場(chǎng)強(qiáng)度E-dVdx，則可得到，則可得到電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度: ),(200ppDpnkTqVFqLkTEV0時(shí)上式取正號(hào)，反之則取負(fù)號(hào)，其中時(shí)上式取正號(hào)，反之則取負(fù)號(hào)，其中: 2/1020)(pSDpqkTL稱為德拜長(zhǎng)度（稱為德拜長(zhǎng)度（2.63式）式）.2/1/00/00)1() 1(2),(kTqVepnkTqVepnkTqVFkTqVppkTqVpp稱為稱為F函數(shù)函數(shù),由由5.38式知式知,它是它是LD

37、=2kT/q時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度,因此因此也叫歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度。也叫歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度。 在表面處在表面處VVS，(稱為表面勢(shì)稱為表面勢(shì))，因此表面處的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此表面處的電場(chǎng)強(qiáng)度: ),(200ppSDSpnkTqVFqLkTE根據(jù)根據(jù)Gauss定律定律,通過(guò)半導(dǎo)體單位表面積的電通量通過(guò)半導(dǎo)體單位表面積的電通量S0ES等于等于空間電荷區(qū)所包含的電荷密度（空間電荷區(qū)所包含的電荷密度（QS= S0ES）,所以所以:FqLkTEQDSSSS002此式表明表面空間電荷層的電荷面密度是表面勢(shì)的函數(shù)此式表明表面空間電荷層的電荷面密度是表面勢(shì)的函數(shù), ,具有電容性質(zhì)具有電容性質(zhì), ,其微分電容（單位面積的

38、電容）其微分電容（單位面積的電容）: : FepneLVQCkTqVppkTqVDSSSSSS)1() 1(/00/0對(duì)于對(duì)于p型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，當(dāng)當(dāng)VGO，VS也為負(fù)，并且滿足也為負(fù)，并且滿足: kTVqeeSkTVqkTqVSS/式式(5.43)可近似為可近似為: )2/exp(20kTqVLCSDSS這就是這就是p型型MOS結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)在多子積累時(shí)的表面空間電荷層電容多子積累時(shí)的表面空間電荷層電容。當(dāng)當(dāng)VG0時(shí)，半導(dǎo)體能帶為平直的，因此稱為時(shí)，半導(dǎo)體能帶為平直的，因此稱為平帶狀態(tài)平帶狀態(tài)(FB)。對(duì)式。對(duì)式5.43中的中的exp(土土qVSkT)項(xiàng)在項(xiàng)在VG 0時(shí)作時(shí)作冪級(jí)數(shù)展開，并保留

39、到二次項(xiàng)，則可由式冪級(jí)數(shù)展開，并保留到二次項(xiàng)，則可由式5.43得到得到VS時(shí)的表面空間電荷層電容：時(shí)的表面空間電荷層電容： 02/1000)()1 (ppDSFBSpnLC如果如果P型半導(dǎo)體中的摻雜使型半導(dǎo)體中的摻雜使np0pp0時(shí)時(shí),則有則有:DSFBSLC0)( 當(dāng)當(dāng)VG0的偏壓使半導(dǎo)體表面處的能帶向下彎曲并且使表面處有的偏壓使半導(dǎo)體表面處的能帶向下彎曲并且使表面處有 0Ei-EFVB時(shí)，在半導(dǎo)體表面處有時(shí)，在半導(dǎo)體表面處有Ei一一EFVB的偏置電壓使表面處少于濃度達(dá)到的偏置電壓使表面處少于濃度達(dá)到nSpp0時(shí)，則有時(shí)，則有:0exp(/2)piSpnqVkT熱平衡時(shí)熱平衡時(shí)p型半導(dǎo)體中多

40、子的濃度型半導(dǎo)體中多子的濃度pp0也可以由式也可以由式5.29b表示，即表示，即:)/exp(0kTqVnpBipVS=2VB 比較上面兩式比較上面兩式, ,可得可得: :若以表面處的反型少子若以表面處的反型少子nS=pp0作為表面反型的標(biāo)志作為表面反型的標(biāo)志,那么上式就是表面那么上式就是表面發(fā)生強(qiáng)反型的臨界條件發(fā)生強(qiáng)反型的臨界條件. 若以若以pp0=NA代入式代入式5.51,那么那么: )ln(iABnNqkTV強(qiáng)反型臨界條件則為強(qiáng)反型臨界條件則為: :)ln(2iASnNqkTV強(qiáng)反型時(shí)強(qiáng)反型時(shí)qVSkT，由式，由式5.43可得可得:2/1/000)(2kTqVppDSSSepnLC若將若

41、將np0nsexp(-qVS/kT)代入上式，則有代入上式，則有:2/100)(2pSDSSpnLC半導(dǎo)體表面發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)，表面空間電荷層內(nèi)的電荷面密度由耗盡區(qū)半導(dǎo)體表面發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)，表面空間電荷層內(nèi)的電荷面密度由耗盡區(qū)的電離受主電荷面密度的電離受主電荷面密度(-qNAWm)與反型層電子電荷面密度兩部分組成，與反型層電子電荷面密度兩部分組成，如圖如圖5.10c所示。由于反型層對(duì)電場(chǎng)的屏蔽作用，因此這時(shí)的耗盡層不所示。由于反型層對(duì)電場(chǎng)的屏蔽作用，因此這時(shí)的耗盡層不再隨再隨VG的增大而擴(kuò)展的增大而擴(kuò)展,達(dá)到一達(dá)到一最大寬度最大寬度Wm。 5.3.2理想理想MOS結(jié)構(gòu)的電容結(jié)構(gòu)的電容電壓特性電壓特性

42、MOS結(jié)構(gòu)的總電容是氧化層電容結(jié)構(gòu)的總電容是氧化層電容CO和半導(dǎo)體表面空間電和半導(dǎo)體表面空間電荷層電容荷層電容Cs的串聯(lián)組合，如圖所示。總電容的串聯(lián)組合，如圖所示。總電容:SoSoCCCCCMOS結(jié)構(gòu)的歸一化電容為結(jié)構(gòu)的歸一化電容為:SoCCCC011COCSVGMOS結(jié)構(gòu)等效電容結(jié)構(gòu)等效電容 CO是單位面積氧化層電容是單位面積氧化層電容:0oxOCd 當(dāng)當(dāng)VG0時(shí)時(shí),半導(dǎo)體表面處于多子積累狀態(tài)半導(dǎo)體表面處于多子積累狀態(tài),將式將式5.44代入代入式式5.57可得可得:kTqVSDooSeLCCC2/0211GVSV當(dāng)當(dāng)較大時(shí)，較大時(shí)，因此可以認(rèn)為此時(shí)的因此可以認(rèn)為此時(shí)的MOSMOS結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)

43、電容CCo，即，即CCO1，不隨偏置電壓變化，如圖不隨偏置電壓變化，如圖5.12的的AB段段(積累狀態(tài)積累狀態(tài))所示。所示。 也較大，上式分母中的第二項(xiàng)遠(yuǎn)小于也較大，上式分母中的第二項(xiàng)遠(yuǎn)小于1，GVGV若若不是足夠大時(shí)，不是足夠大時(shí)，CCo將隨將隨的減小而減小。的減小而減小。 在在VG0時(shí)，時(shí)，VS也等于零，歸一化電容由式也等于零，歸一化電容由式5.46代入式代入式5.57得到得到:C/CO1.0CFB/COA BC011SDooFBoLCCCCC將式將式5.39以及以及COox0/d代入上式，則可進(jìn)一步得到代入上式，則可進(jìn)一步得到:2/100)(11ASSxoFBNkTdqCC上式中上式中0

44、 x為二氧化硅的相對(duì)介電常為二氧化硅的相對(duì)介電常數(shù)，數(shù)，d為二氧化硅層的厚度，并認(rèn)為為二氧化硅層的厚度，并認(rèn)為pp0NA.由于式由于式5.60對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于VG0，即，即平帶狀態(tài)，因此平帶狀態(tài)，因此CFBCO也稱歸一也稱歸一化平帶電容。化平帶電容。 0 VDE FG低頻低頻高頻高頻MOS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性特性 積累積累耗盡耗盡反型反型 圖圖5-13是根據(jù)式是根據(jù)式5.60畫出的理想畫出的理想MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)CFBCO與氧與氧化層厚度以及襯底摻雜濃度的關(guān)系曲線。由于利用化層厚度以及襯底摻雜濃度的關(guān)系曲線。由于利用MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)CV特性測(cè)量表面參數(shù)時(shí)常需計(jì)算特性測(cè)量表面參數(shù)時(shí)常需計(jì)算CFBCO，因

45、此，因此圖圖5.13是很有用的。是很有用的。 當(dāng)當(dāng)VG0的電壓使半導(dǎo)體表面多子耗盡但不足以反型時(shí)，的電壓使半導(dǎo)體表面多子耗盡但不足以反型時(shí)，可將式可將式5.47代入式代入式5.57得到得到: 2/ 1000)2(11qpVdCCpSSSxo上式表示在耗盡狀態(tài)，上式表示在耗盡狀態(tài)，VG增大時(shí)，增大時(shí)，CCO將減小，如圖將減小，如圖5.12中的中的CD段段(耗盡狀態(tài)耗盡狀態(tài))所示。所示。 當(dāng)當(dāng)VS2VB時(shí)，半導(dǎo)體表面為強(qiáng)反型狀態(tài)，將式時(shí)，半導(dǎo)體表面為強(qiáng)反型狀態(tài)，將式5.54代入代入式式5.57可得可得: 2/100)/exp(211kTqVpndLCCSppSDoxo由于此時(shí)由于此時(shí)VS2VBkT

46、/q,所以所以CCo趨近于趨近于1，即，即MOS結(jié)構(gòu)的電容又近似為氧化層電容結(jié)構(gòu)的電容又近似為氧化層電容Co，如圖，如圖5.12中的中的EF段段所示所示. 上式只適用于信號(hào)頻率較低的情況，高頻時(shí)，反型式只適用于信號(hào)頻率較低的情況，高頻時(shí)，反型層中電子的變化將跟不上信號(hào)電壓的變化。因?yàn)榉葱陀葘又须娮拥淖兓瘜⒏簧闲盘?hào)電壓的變化。因?yàn)榉葱陀绕涫菑?qiáng)反型時(shí)，其是強(qiáng)反型時(shí)，反型層中的電子電荷對(duì)直流偏置電場(chǎng)起反型層中的電子電荷對(duì)直流偏置電場(chǎng)起屏蔽作用，耗盡層寬屏蔽作用，耗盡層寬 度達(dá)到極大值度達(dá)到極大值Wm，不再改變，不再改變。 因此因此MOS結(jié)構(gòu)上的電壓隨交變電壓增加或減小時(shí)只結(jié)構(gòu)上的電壓隨交變電壓增加

47、或減小時(shí)只能改變反型層電子的數(shù)目能改變反型層電子的數(shù)目p型半導(dǎo)體中電子是少子，由型半導(dǎo)體中電子是少子，由p型襯底流到表面的電子很少，因此反型層中電子數(shù)目主型襯底流到表面的電子很少，因此反型層中電子數(shù)目主要依靠耗盡層中電子要依靠耗盡層中電子空穴對(duì)的產(chǎn)生或復(fù)合以及通過(guò)界空穴對(duì)的產(chǎn)生或復(fù)合以及通過(guò)界面陷阱的產(chǎn)生和復(fù)合來(lái)改變。在反型層中有賴于上述產(chǎn)面陷阱的產(chǎn)生和復(fù)合來(lái)改變。在反型層中有賴于上述產(chǎn)生、復(fù)合過(guò)程的電子積累或被復(fù)合都有一段由非平衡載生、復(fù)合過(guò)程的電子積累或被復(fù)合都有一段由非平衡載流子壽命決定的弛豫時(shí)間，如果信號(hào)頻率較高，就會(huì)使流子壽命決定的弛豫時(shí)間，如果信號(hào)頻率較高，就會(huì)使反型層電荷的改變跟

48、不上信號(hào)電壓的變化反型層電荷的改變跟不上信號(hào)電壓的變化。 所以這時(shí)的所以這時(shí)的MOS結(jié)構(gòu)電容應(yīng)該是氧化層電容結(jié)構(gòu)電容應(yīng)該是氧化層電容CO與最寬耗盡層與最寬耗盡層的電容串聯(lián)組合的電容串聯(lián)組合,由于由于Wm不再隨不再隨VG變化變化,因此因此CCO也將不隨也將不隨VG改變改變,保持一最小歸一化電容值保持一最小歸一化電容值 CminCo.將將Cs=S0/Wm及及CO=0 x0/d代入式代入式5.57,可得可得: dWCCSmxo0min11高頻反型時(shí)高頻反型時(shí),理想理想MOS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性由圖特性由圖5-12中的中的DG段段描繪。描繪。 反型層中電子的來(lái)源是其電子反型層中電子的來(lái)源是其電子-空

49、穴對(duì)的產(chǎn)生空穴對(duì)的產(chǎn)生-復(fù)合過(guò)程，連少子都不是，因?yàn)榉葱蛯由厦娴难鯊?fù)合過(guò)程，連少子都不是，因?yàn)榉葱蛯由厦娴难趸瘜雍拖旅娴暮谋M層使反型層與外界隔絕，因此化層和下面的耗盡層使反型層與外界隔絕，因此其中電子濃度隨外界交變信號(hào)變化只能通過(guò)熱產(chǎn)其中電子濃度隨外界交變信號(hào)變化只能通過(guò)熱產(chǎn)生生-復(fù)合過(guò)程改變，而這個(gè)過(guò)程是十分緩慢的。復(fù)合過(guò)程改變，而這個(gè)過(guò)程是十分緩慢的。SiO2層反型層耗盡層中性區(qū) 左左圖給出了在不同頻率下測(cè)得的理想圖給出了在不同頻率下測(cè)得的理想MOS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性，由圖特性，由圖可見當(dāng)頻率可見當(dāng)頻率f100Hz時(shí)，時(shí)，C-V曲線呈現(xiàn)低頻特征。曲線呈現(xiàn)低頻特征。 410 Hz1.00

50、.C/CO-15-10 -5 0 5 10 15 V/V1.0VG010Hz510 Hz210 Hz310 HzC/CO 信號(hào)頻率對(duì)信號(hào)頻率對(duì)C-V曲線的影響曲線的影響 N型襯底型襯底MOS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V特性特性 以上所有結(jié)果對(duì)于以上所有結(jié)果對(duì)于n型襯底的型襯底的MOS結(jié)構(gòu)同樣適用，只要將有關(guān)的電結(jié)構(gòu)同樣適用，只要將有關(guān)的電壓正壓正,負(fù)以及相應(yīng)各量的下標(biāo)作一更動(dòng)就可以了。負(fù)以及相應(yīng)各量的下標(biāo)作一更動(dòng)就可以了。n型襯底理想型襯底理想MOS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V曲線如右圖所示曲線如右圖所示,它與它與p型襯底理想型襯底理想MOS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的C-V曲線曲線是對(duì)稱的。是對(duì)稱的。 5.

51、3.3 實(shí)際實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)的電容結(jié)構(gòu)的電容電壓特性電壓特性 在所有在所有MOS結(jié)構(gòu)中，得到最廣泛深入研究的是金屬結(jié)構(gòu)中，得到最廣泛深入研究的是金屬-氧化硅氧化硅-硅系硅系統(tǒng)統(tǒng),這種系統(tǒng)的這種系統(tǒng)的C-V特性與理想特性與理想MOS結(jié)構(gòu)比較接近。但就常用的金結(jié)構(gòu)比較接近。但就常用的金屬電極而言，金屬與硅的功函數(shù)差一般不為零，在屬電極而言，金屬與硅的功函數(shù)差一般不為零，在SiO2層內(nèi)及層內(nèi)及 SiO2-Si界面上有各種電荷存在，因此實(shí)際界面上有各種電荷存在，因此實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)與理想結(jié)構(gòu)與理想MOS結(jié)結(jié)構(gòu)在電特性方面還存在一定差異。構(gòu)在電特性方面還存在一定差異。 半導(dǎo)體的功函數(shù)半導(dǎo)體的功函數(shù)qs是真空

52、能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)之間的能量差，它是真空能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)之間的能量差，它與與半導(dǎo)體的摻雜濃度有關(guān)半導(dǎo)體的摻雜濃度有關(guān)。對(duì)于一種具有確定功函數(shù)值的金屬，要改。對(duì)于一種具有確定功函數(shù)值的金屬，要改變它與半導(dǎo)體的功函數(shù)差，變它與半導(dǎo)體的功函數(shù)差，qms=qm-qs,只能寄希望于改變半導(dǎo)體只能寄希望于改變半導(dǎo)體的摻雜濃度的摻雜濃度.qm=4.1 eV的鋁是最普通的金屬電極之一，另一用途較的鋁是最普通的金屬電極之一，另一用途較為廣泛的材料是重?fù)诫s多晶硅。為廣泛的材料是重?fù)诫s多晶硅。n+多晶硅的功函數(shù)為多晶硅的功函數(shù)為 3.96eV。 下圖表明了鋁下圖表明了鋁-硅及硅及n+多晶硅多晶硅硅的功函數(shù)差與硅中硅的功函

53、數(shù)差與硅中摻雜濃度摻雜濃度ND的關(guān)系。圖中所示各功函數(shù)差的關(guān)系。圖中所示各功函數(shù)差qms都為負(fù)值，都為負(fù)值，絕對(duì)值最大的是絕對(duì)值最大的是n+多晶硅對(duì)多晶硅對(duì)p型硅的功函數(shù)差。型硅的功函數(shù)差。 1410161015100-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.217101810鋁鋁-硅及硅及n+多晶硅多晶硅-硅的功函數(shù)差與硅中摻雜濃度硅的功函數(shù)差與硅中摻雜濃度ND的關(guān)系的關(guān)系 功函數(shù)差的影響功函數(shù)差的影響qmqs，電子從，電子從A1流向流向Si，半導(dǎo)體表面形成負(fù)空間電荷，鋁電極則，半導(dǎo)體表面形成負(fù)空間電荷，鋁電極則因失去電子而帶正電，在因失去電子而帶正電，在SiO2層及層及Si表面層形成一

54、由表面指向內(nèi)部的表面層形成一由表面指向內(nèi)部的接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)ms，這一接觸電勢(shì)也將使，這一接觸電勢(shì)也將使p型半導(dǎo)體表面處能帶向下彎曲，型半導(dǎo)體表面處能帶向下彎曲，硅內(nèi)部的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于金屬費(fèi)米能級(jí)提高，最終使系統(tǒng)在硅內(nèi)部的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于金屬費(fèi)米能級(jí)提高，最終使系統(tǒng)在VG=0時(shí)有時(shí)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，如圖統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，如圖b所示，圖所示，圖a則為分列于則為分列于SiO2層兩側(cè)的金屬與半層兩側(cè)的金屬與半導(dǎo)體的獨(dú)立能帶導(dǎo)體的獨(dú)立能帶(金屬與半導(dǎo)體之間沒(méi)有連接金屬與半導(dǎo)體之間沒(méi)有連接)，它們都是平直的。，它們都是平直的。 mqECEVEFEisqd真空能級(jí)真空能級(jí)金屬金屬mqECEVEFEisqd真空

55、能級(jí)真空能級(jí)金屬金屬P型型SiSiSiO2P型型SiSiEFEFa:分列于分列于SiO2兩側(cè)的金屬和半導(dǎo)體能帶兩側(cè)的金屬和半導(dǎo)體能帶 b:VG=0時(shí)的能帶時(shí)的能帶 比較上圖比較上圖a和和b可見，半導(dǎo)體的電子勢(shì)能相對(duì)金屬提高了可見，半導(dǎo)體的電子勢(shì)能相對(duì)金屬提高了,這表明雖然外這表明雖然外加偏壓加偏壓VG=0，但由于金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)不同會(huì)使半導(dǎo)體表面層能，但由于金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)不同會(huì)使半導(dǎo)體表面層能帶彎曲，即不處于平帶狀態(tài)為了使系統(tǒng)恢復(fù)到平帶狀態(tài)，必須在金屬帶彎曲，即不處于平帶狀態(tài)為了使系統(tǒng)恢復(fù)到平帶狀態(tài)，必須在金屬與半導(dǎo)體之間加一定的與半導(dǎo)體之間加一定的負(fù)電壓負(fù)電壓，使它能抵消掉由于功函

56、數(shù)差造成的表面，使它能抵消掉由于功函數(shù)差造成的表面能帶彎曲。這一能帶彎曲。這一使系統(tǒng)恢復(fù)到平帶狀態(tài)的負(fù)電壓使系統(tǒng)恢復(fù)到平帶狀態(tài)的負(fù)電壓VFB稱為平帶電壓稱為平帶電壓 (Flat-band),顯然顯然:qVmsmsFBC/CO1.0 0 V金屬金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差對(duì)半導(dǎo)體功函數(shù)差對(duì)MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)C-V特征的影響特征的影響 （a）（b）VFB由此也可看出，由于金屬由此也可看出，由于金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差的存在與半導(dǎo)體功函數(shù)差的存在將使將使MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)C-V曲線的曲線的平帶點(diǎn)移到平帶點(diǎn)移到VVFB處。曲處。曲線線(a)對(duì)應(yīng)于理想對(duì)應(yīng)于理想MOS結(jié)結(jié)構(gòu)的構(gòu)的C-V曲線，曲線，(b)對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于存在金屬

57、存在金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差半導(dǎo)體功函數(shù)差的情形。曲線的情形。曲線(b)的平帶點(diǎn)的平帶點(diǎn)相對(duì)于相對(duì)于(a)的平帶點(diǎn)向負(fù)電的平帶點(diǎn)向負(fù)電壓方向平移了壓方向平移了VFB。氧化層電荷的影響氧化層電荷的影響 除了功函數(shù)差之外，平衡除了功函數(shù)差之外，平衡MOS結(jié)構(gòu)還會(huì)受到氧化層電荷和結(jié)構(gòu)還會(huì)受到氧化層電荷和Si-SiO2界面陷阱等的影響界面陷阱等的影響.這些電荷與陷阱的基本類型及分布如圖所示。其中這些電荷與陷阱的基本類型及分布如圖所示。其中有有SiO2層中的層中的可動(dòng)離子電荷可動(dòng)離子電荷(Mobile ionic charge)Qm，SiO2層中的層中的固定固定氧化層電荷氧化層電荷(Fixed oxide

58、Charge)Qf,氧化層陷阱電荷氧化層陷阱電荷(Oxide Trapped charge)Qot,以及以及界面陷阱電荷界面陷阱電荷(Interface trapped charge)Qit. aNMetalSiO2SiSiO2-Si中的電荷和陷阱中的電荷和陷阱 K(Qm)+ + +- - -(Qot)+(Qf)(Qit) 鈉或其它堿金屬離子在鈉或其它堿金屬離子在Si02層中成為可動(dòng)離子電荷。它們層中成為可動(dòng)離子電荷。它們?cè)谄珘涸谄珘?溫度的作用下會(huì)在溫度的作用下會(huì)在SiO2層中遷移，于是引起層中遷移，于是引起C-V曲線沿著電壓軸移動(dòng)，對(duì)器件的穩(wěn)定性造成不良影響。曲線沿著電壓軸移動(dòng)，對(duì)器件的穩(wěn)

59、定性造成不良影響。主要來(lái)自工藝過(guò)程中使用的各種試劑、器皿甚至人體污主要來(lái)自工藝過(guò)程中使用的各種試劑、器皿甚至人體污染等（染等（正電荷正電荷）。）。 氧化層固定電荷位于氧化層固定電荷位于Si-SiO2界面界面30附近，一般情況下，附近，一般情況下， Qf是正的并依賴于氧化和退火條件以及硅單晶的取向。通是正的并依賴于氧化和退火條件以及硅單晶的取向。通常認(rèn)為氧化停止時(shí)會(huì)有一些硅離子遺留在界面附近，這常認(rèn)為氧化停止時(shí)會(huì)有一些硅離子遺留在界面附近，這些離子隨同界面上未完成的硅鍵些離子隨同界面上未完成的硅鍵(如如Si-Si或或Si-O鍵鍵)可導(dǎo)致可導(dǎo)致正的正的固定氧化層電荷。固定氧化層電荷。 界面陷阱界面

60、陷阱Qit存在于存在于Si-Si02界面上，其能態(tài)位于硅的禁帶界面上，其能態(tài)位于硅的禁帶之中。它們可以是一些分立的或連續(xù)的能態(tài)。之中。它們可以是一些分立的或連續(xù)的能態(tài)。Qit與硅單與硅單晶的晶向有關(guān)（晶的晶向有關(guān)（正電荷正電荷） 。 當(dāng)電荷分布為一薄層時(shí)當(dāng)電荷分布為一薄層時(shí) 設(shè)氧化層中有一設(shè)氧化層中有一正的正的薄層電荷，其單位面積上的電量為薄層電荷，其單位面積上的電量為Qo。無(wú)外加。無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)它在金屬和半導(dǎo)體中分別感應(yīng)出負(fù)電荷，為了達(dá)到平帶條電場(chǎng)時(shí)它在金屬和半導(dǎo)體中分別感應(yīng)出負(fù)電荷，為了達(dá)到平帶條件件(即在半導(dǎo)體表面不因即在半導(dǎo)體表面不因Qo的存在而產(chǎn)生感應(yīng)電荷的存在而產(chǎn)生感應(yīng)電荷)，必須在