【正文】 平 帶條 件 0???? sB 空穴耗 盡 (能 帶 向下 彎 曲 ) Bs ???本征 狀態(tài) ns=np=ni Bs ??? 反型 (能 帶 向下 彎 曲 ) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 23 表面勢(shì)列表 φS 柵壓 表面載流子濃度 表面狀態(tài) 表面能帶 φS?0 VG?0 ns?n0, ps?p0 空穴積累 向上彎曲 φS=0 VG=0 ns =n0, ps= p0 中性表現(xiàn) 平帶 φB?φS?0 φB?VG?0 ns ?n0, ps ?p0 空穴耗盡 向下彎曲 φB=φS?0 VG=φB?0 ns=ps=ni 本征表面 向下彎曲 (Ei與 EF在表面相交 ) 2φB?φS?φB VG?φB ns?ps 弱反型 向下彎曲 (Ei在表面內(nèi)與 EF相交 ) φS≥2φB VG≥2φB ns≥p0?ps 強(qiáng)反型 向下彎曲 (Ei— EF)體內(nèi) =(EF— Ei)表面 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 24 ? 討論： （ 1）表面勢(shì) φS=0時(shí)，表面與體內(nèi)的電勢(shì)相同，即為平帶條件。這是“表面積累”和“表面耗盡”兩種狀態(tài)的分界； （ 2） φS=φB時(shí)， Ei和 EF在表面處相交，表面處于本征狀態(tài)。這是“表面耗盡”和“表面反型”兩種狀態(tài)的分界； （ 3） φS=2φB時(shí)，是“弱反型”和“強(qiáng)反型”的分界。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 25 ? 對(duì)于 MOSFET來(lái)說(shuō)，最令人關(guān)注的是反型的表面狀態(tài)。當(dāng)柵偏壓 VG??0時(shí)， P型半導(dǎo)體表面的電子濃度將大于空穴濃度，形成與原來(lái)半導(dǎo)體導(dǎo)電類(lèi)型相反的 N型導(dǎo)電層，它不是因摻雜而形成的，而是由于外加電壓產(chǎn)生電場(chǎng)而在原 P型半導(dǎo)體表面感應(yīng)出來(lái)的，故稱(chēng)為感應(yīng)反型層。這一反型層與 P型襯底之間被耗盡層隔開(kāi)，它是 MOSFET的導(dǎo)電溝道，是器件是否正常工作的關(guān)鍵。反型層與襯底間的 P－ N結(jié)常稱(chēng)為感應(yīng)結(jié)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 26 ? 反型使得能帶向下彎曲，當(dāng)半導(dǎo)體表面處的本征費(fèi)米能級(jí) Ei不是比費(fèi)米能級(jí) EF低很多時(shí)，反型層中的電子仍然相當(dāng)少，基本上和本征載流子濃度 ni同數(shù)量級(jí)。這種情況稱(chēng)為“弱反型”。為在表面形成實(shí)用的 N型溝道，就必須規(guī)定一個(gè)實(shí)用的反型標(biāo)準(zhǔn)。 ? 一般人們常用的最好標(biāo)準(zhǔn)就是“強(qiáng)反型”條件（或稱(chēng)“強(qiáng)反型”近似）。 ? 強(qiáng)反型近似認(rèn)為：當(dāng)外加?xùn)烹妷涸黾拥侥骋恢担?VG??0）時(shí)，能帶向下彎曲到使表面處的 Ei在 EF下方的高度正好等于半導(dǎo)體內(nèi)部 Ei在 EF上方的高度。也就是說(shuō)表面處 N型層的電子濃度正好等于 P型襯底的空穴濃度。這就是“強(qiáng)反型”條件。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 27 ? 和距離 x的 關(guān) 系可由一 維 泊松方程得到。 ss xdxd?? )(22 ???當(dāng) 半 導(dǎo) 體被耗 盡 ，由 積 分泊松方程得表面耗 盡區(qū) 中的 靜電勢(shì) 分布： 21 ?????? ????Wxs表面 勢(shì) s?為 : SAsWqN?22 2?? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 28 強(qiáng)反型出 現(xiàn) 的判 斷標(biāo) 準(zhǔn)是 : ????????????iABs nNqkTin v ln22)(表面耗 盡層 最大 寬 度 為 ： AiAsABsmqNnNkTqNW???????????ln2)2(2??同 時(shí) ， )2(2 BAssc NqQ ??? ? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 29 表面 電 荷和表面 勢(shì) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 30 Si和 GaAs最大耗 盡區(qū)寬 度 Wm 與摻雜濃 度 NB的 關(guān) 系 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 31 理想 MOS曲 線 Qm Depletion region x w d Qn qNA )(xs?EF EC Ei 0qV0?VBq?sq?jxEF Inversion region Ev QS Neutrals region 能 帶圖 (ptype substrate) 反型 時(shí)電 荷分布 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 32 )(x?d 0 w x 0?? ?oxsQ電場(chǎng) 分布 d v0 v s?w x 0 )(x?電勢(shì) 分布 沒(méi)有功函數(shù)差時(shí)，外加電壓分為兩部分： sVV ??? 0000 CQdV S?? ? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 33 低 頻電 容 低 頻 或準(zhǔn) 靜態(tài) 下， 多子和少子能跟得上交變 信 號(hào) 的 變 化， 達(dá) 到 靜態(tài) 平衡。 Ptype 襯 底 積 累： )2e x p ( kTqQ ss ???????????????????sgoxsSox VqkTCddQCC211111oxCVQC ????SiCoxCQ?Q?? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 34 耗 盡 ： dsisasisdd WqNdQdC ?? ??????2)(soxsaisoxdag CqNCWqNV ??????? ?2)2(1 2 asigoxoxqNVCCC???oxC DCQ?Q??W 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 35 反型： oxC invC????????????????sgoxsSox VqkTCddQCC211111Q?Q??wdm 一旦 發(fā) 生強(qiáng)反型， 對(duì)應(yīng)電 容 CSi增大，因此 總電 容 將 保持最小 值 ，基本上就是 Cox。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 36 低 頻 下，表面耗 盡區(qū) 的 產(chǎn) 生－ 復(fù) 合率相等，或者比 電壓變 化快， 電 子 濃 度的 變 化能跟得上交 變 信 號(hào) 的 變 化， 導(dǎo)致 電 荷在 測(cè) 量信 號(hào) 的作用下與 反型 層 相交 換 ， 測(cè) 量 結(jié) 果與 理 論計(jì) 算相一致。 高 測(cè) 量 頻 率下，增加的 電 荷出 現(xiàn) 在耗 盡區(qū)邊緣 ，反型 層電 荷跟不上交 變 信 號(hào) 的 變 化。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 37 MOS二 極 管 C－ V特性 MOS電 容定 義為 小信 號(hào)電 容，在直流 電壓 上 疊加一小的交流 電壓 信 號(hào)進(jìn) 行 測(cè) 量。 dtdVCdtdVdVdQdtdQI GGGGG ??? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 38 P襯底 MOS二極管的 CV特性曲線 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 39 )(m inSmoxoxoxWCdC???? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 40 討論： （ 1） C－ V特性是 MOS二極管的基本特性。通過(guò) C－ V特性的測(cè)量，可以了解半導(dǎo)體表面狀態(tài)，了解 SiO2層和 SiO2/Si界面各種電荷的性質(zhì)，測(cè)定 Si的許多重要參數(shù)（如摻雜和少子壽命等）。 （ 2）對(duì)于 n型襯底，只需適當(dāng)改變正負(fù)號(hào)和符號(hào)， C－ V曲線相同，但互為鏡像，且 n型襯底 MOS二極管的閾值電壓是負(fù)的。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 41 167。 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本理論 ? MOSFET是一種表面場(chǎng)效應(yīng)器件，是靠多數(shù)載流子傳輸電流的單極器件。 ? 對(duì)于微處理器、半導(dǎo)體存貯器等超大規(guī)模集成電路來(lái)說(shuō)是最重要的器件，也日益成為一種重要的功率器件。 ? 這類(lèi)器件包括： 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ IGFET）； 金屬－絕緣體－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ MISFET）； 金屬－氧化物－半導(dǎo)體晶體管（ MOST）。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 42 基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ? N溝 MOSFET的結(jié)構(gòu)：在 P型襯底上擴(kuò)散（或離子注入）兩個(gè) N+區(qū)，右邊的 N+區(qū)稱(chēng)源區(qū)，左邊的 N+區(qū)稱(chēng)漏區(qū)，分別用 S和 D表示。二擴(kuò)散區(qū)之間的區(qū)域是溝道區(qū)。在溝道區(qū)的半導(dǎo)體表面熱生長(zhǎng)一層二氧化硅薄膜作為柵介質(zhì)。然后再在柵氧化層和源漏擴(kuò)散區(qū)上制作金屬電極，分別把它們稱(chēng)為柵電極（ G）、源極（ S）和漏極（ D）。在 P型襯底上也做一個(gè)金屬電極，稱(chēng)為襯底接觸，又叫第二柵極，用B表示。主要器件結(jié)構(gòu)是二結(jié)之間的距離 L；溝道寬度 Z；柵氧化層厚度 d；源漏結(jié)深度 xj；襯底摻雜濃度 NA等。 ? 在以后的討論中，都是把源電極作為參考電極，令其為零電位。一般情況下，源和襯底是短接的，故也取為零電位。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 43 N型 MOSFET的基本 結(jié)構(gòu) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 44 MOSFET的透 視圖 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 45 ? MOSFET的工作原理 使用 MOSFET時(shí)，源端通常接地。當(dāng)柵壓 VGS=0時(shí)，源漏之間兩個(gè)背靠背的 pn結(jié)總有一個(gè)處于反偏，源漏之間只能有很小的 pn結(jié)反向漏電流流過(guò)。 VGS0時(shí)，此電壓將在柵氧化層中建立自上而下的電場(chǎng)，從柵極指向半導(dǎo)體表面，在表面將感應(yīng)產(chǎn)生負(fù)電荷。隨VGS增大， p型半導(dǎo)體表面多子（空穴）逐漸減小直至耗盡，而電子逐漸積累直至反型。 當(dāng)表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)，電子積累層將在源漏之間形成導(dǎo)電溝道。此時(shí)若在漏源之間加偏置電壓 VDS，載流子就會(huì)通過(guò)導(dǎo)電溝道，從源到漏，由漏極收集形成漏電流。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 46 ? MOSFET能工作的關(guān)鍵是半導(dǎo)體表面必須有導(dǎo)電溝道，而表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)才有溝道。 ? 閾值電壓 VT 使襯底表面（半導(dǎo)體表面）強(qiáng)反型時(shí)所需加的柵壓 VG稱(chēng)為閾值電壓。 ? 當(dāng) VGSVT并逐漸增大時(shí)，反型層的厚度將逐漸增厚，導(dǎo)電電子數(shù)目逐漸增多，即反型層的導(dǎo)電能力增加， IDS將會(huì)提高，實(shí)現(xiàn)柵壓對(duì)電流的控制。漏源電壓保證載流子由源區(qū)進(jìn)入溝道，再由漏區(qū)流出。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 47 MOSFET分 類(lèi) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專(zhuān)業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 48 非平衡狀態(tài) ? MOS二極管中，有