理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第1頁Outline1.結(jié)構(gòu)與工作原理2.半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)3.載流子積累、耗盡和反型4.反型和強(qiáng)反型條件理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第2頁MOSFET：Metal-Oxide-SemiconductorField-effecttransistor序言：金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）是微處理器、半導(dǎo)體存放器等超大規(guī)模集成電路中關(guān)鍵器件和主流器件，也是一個主要功率器件。理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第3頁一結(jié)構(gòu)與工作原理MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第4頁源極、襯底和漏極組成兩個背靠背二極管。在不加?xùn)艍簳r，只能有很小反向飽和電流經(jīng)過源漏極。當(dāng)柵壓足夠大時，柵極下面半導(dǎo)體會反型。襯底N型半導(dǎo)體－P型反型層－P溝道MOSFET襯底P型半導(dǎo)體－N型反型層－N溝道MOSFET反型層出現(xiàn)后，再增加電極上電壓，主要是反型層中電子增加，由電離受主組成耗盡層電荷基礎(chǔ)上不再增加。理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第5頁理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第6頁二半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)①在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間界面上不存在電荷②金屬和半導(dǎo)體之間功函數(shù)差為零③SiO2層是良好絕緣體，能阻擋直流電流流過理想MOS結(jié)構(gòu)假設(shè)：即使有外加電壓，表面空間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，使得整個表面空間電荷區(qū)中費(fèi)米能級為常數(shù)。所以：理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第7頁?0為SiO2層內(nèi)建電場，QM為金屬極板上電荷，則半導(dǎo)體表面感應(yīng)電荷為QS=－QM。在外電場作用下，在半導(dǎo)體表面形成含有相當(dāng)厚度（μｍ）空間電荷區(qū)，它對電場起到屏蔽作用?？臻g電荷區(qū)形成是因為自由載流子過剩或欠缺以及雜質(zhì)能級上電子濃度改變引發(fā)。理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第8頁在空間電荷區(qū)中電場出現(xiàn)使半導(dǎo)體表面與體內(nèi)之間產(chǎn)生電位差，半導(dǎo)體表面電勢，稱為表面勢。在加上電壓VG時，外加電壓VG為跨越氧化層電壓V0和表面勢

所分?jǐn)偅从校弘妶?從半導(dǎo)體表面到內(nèi)部逐步減弱，直到空間電荷區(qū)內(nèi)邊界上基礎(chǔ)全部被屏蔽而為零。則每個極板上感應(yīng)電荷與電場之間滿足以下關(guān)系：εsE：半導(dǎo)體表面電場理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第9頁金屬-氧比物和P型半導(dǎo)體電位分布圖理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第10頁三載流子積累、耗盡和反型空間電荷區(qū)靜電勢

出現(xiàn)改變了空間電荷區(qū)中能帶圖。依據(jù)VG極性和大小，有可能實現(xiàn)三種不一樣表面情況：①載流子積累；②載流子耗盡；③半導(dǎo)體表面反型。理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第11頁設(shè)半導(dǎo)體體內(nèi)本征費(fèi)米能級為Ei0，則空間電荷區(qū)內(nèi)：在半導(dǎo)體表面處有：令：為半導(dǎo)體內(nèi)費(fèi)米勢理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第12頁能夠得到：OR半導(dǎo)體表面層載流子分布：理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第13頁OR半導(dǎo)體表面層載流子分布：理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第14頁1.載流子積累當(dāng)緊靠硅表面多數(shù)載流子濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時，稱為載流子積累。當(dāng)金屬電極上加負(fù)電壓時，在半導(dǎo)體表面形成負(fù)表面電勢

，表面空間電荷區(qū)中能帶向上彎曲，因為費(fèi)米能級EF保持常數(shù)，能帶向上彎曲使靠近表面處有更大Ei-EF，與體內(nèi)相比，在表面處有更高空穴濃度和更低電子濃度，使空穴在表面積累，增加表面電導(dǎo)率。表面電荷為：理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第15頁載流子積累理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第16頁2.載流子耗盡當(dāng)金屬電極上施加正偏壓VG時，表面勢

為正，空間電荷區(qū)中能帶向下彎曲，準(zhǔn)費(fèi)米能級能級Ei靠近費(fèi)米能級EF,(Ei–EF)值減小，表面空穴濃度低于體內(nèi)熱平衡值，造成多數(shù)載流子空穴耗盡，少數(shù)載流子電子有所增加。當(dāng)因為平衡少子數(shù)目極小，所以，少子數(shù)目依然能夠忽略?？臻g電荷由沒有空穴中和、固定受主離子組成。理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第17頁單位面積下總電荷QS為:采取耗盡近似，依據(jù)泊松方程有：表面勢QB:半導(dǎo)體空間電荷區(qū)中單位面積下受主離子總電荷理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第18頁載流子耗盡理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第19頁3.載流子反型在耗盡基礎(chǔ)上深入增加偏壓VG，MOS系統(tǒng)半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)中能帶深入下彎。大能帶彎曲使硅表面及其附近禁帶中央能量Ei超越恒定費(fèi)米能級，即來到費(fèi)術(shù)能級EF下面。使得：少數(shù)載流子電子濃度高于本征載流子濃度，而多數(shù)載流子空穴濃度低于本征載流子濃度。這一層半導(dǎo)體由P型變成N型，稱為反型層，即載流子反型。理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第20頁載流子反型理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第21頁當(dāng)nS=ni時，半導(dǎo)體表面展現(xiàn)本征狀態(tài)，今后，再增加

，半導(dǎo)體表面就會發(fā)生反型，則有：當(dāng)表面勢等于體內(nèi)費(fèi)米勢時，半導(dǎo)體表面開始反型反型條件四反型和強(qiáng)反型條件理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第22頁強(qiáng)反型條件但除非EiS低于EF很多，不然電子濃度很低，這種現(xiàn)象叫做弱反型；對于大多數(shù)MOSFET利用來說，希望確定一個條件，在超出它之后，反型層中電子電荷濃度相當(dāng)高，要求當(dāng)表面電子濃度等于體內(nèi)平衡多子空穴濃度時，半導(dǎo)體表面形成強(qiáng)反型層，這稱為強(qiáng)反型條件，令ns=p0，可得：強(qiáng)反型時表面勢理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第23頁實現(xiàn)強(qiáng)反型之后，假如繼續(xù)增加偏壓VG，能帶彎曲并不顯著增加。因為：導(dǎo)帶電子在很薄強(qiáng)反型層中快速增加以屏蔽外電場，從而使空間電荷區(qū)勢壘高度、固定受主負(fù)電荷以及空間電荷區(qū)寬度基礎(chǔ)保持不變。理想mos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)第24頁強(qiáng)反型時對應(yīng)感生PN結(jié)耗盡層寬度為：強(qiáng)反型時空