21-第六章-6.1-理想MOS结构的表面空间电荷区解析.ppt

Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices理想理想MOS结构的结构的表面空间电荷区表面空间电荷区6.16.1Physics of Semiconductor DevicesMOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect transistor前言：金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）是微处理器、半导体存储器等超大规模集成电路中的核心器件和主流器件，也是一种重要的功率器件。Physics of Semiconductor Devices场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写为FET）是一种电压控制器件。其导电过程主要涉及一种载流子，故也称为“单极”晶体管。Physics of Semiconductor Devices一一 结构与工作原理结构与工作原理MOSFET结构示意图Physics of Semiconductor Devices1、当一个导体靠近另一个带电体时，在导体表面会引起符号相反的感生电荷。表面空间电荷层和反型层实际上就属于半导体表面的感生电荷。在N型半导体的栅上加正电压(a)和在P型半导体的栅上加负电压(b)，所产生的感生电荷是被吸引到表面的多数载流子，这一过程在半导体体内引起的变化并不很显著，只是使载流子浓度在表面附近较体内有所增加。一一 结构与工作原理结构与工作原理Physics of Semiconductor Devices2、在N型半导体的栅上加负电压(c)和在P型半导体的栅上加正电压(d)，所感生的电荷与(a)、(b)相反，电场的作用使多数载流子被排斥面远离表面，从面在表面形成耗尽层，和PN结的情形类似，这里的耗尽层也是由电离施主或电离受主构成的空间电荷区。由于外加电场的作用，半导体中多数载流子被排斥到远离表面的体内，而少数载流子则被吸引到表面。少子在表面附近聚集而成为表面附近区域的多子，通常称之为反型载流子。反型载流子在表面构成了一个称为反型层的导电层。Physics of Semiconductor Devices当在栅电极上加正电压时，既有从半导体表面排斥走空穴的作用，又有吸引少子(电子)到半导体表面的作用。在开始加正电压时主要是多子空穴被赶走而形成耗尽层，同时产生表面感生电荷由电离受主构成的负空间电荷区，这时虽然有少子(电子)被吸引到表面，但数量很少，在这一阶段中，电压增加只是使更多的空穴被排斥走，负空间电荷区加宽。Physics of Semiconductor Devices随着电压的加大，负空间电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面的电子也随着增加。开始，表面电子的增加与固定的空间电荷相比，基本上可以忽略不计(耗尽层近似)。但是当电压达到某一“阈值”时，吸引到表面的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，即反型层。在MOSFET中称之为沟道，电子导电的反型层称为N沟道。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层中的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本上不再增加。Physics of Semiconductor Devices加有偏压的MOSFET在栅电压为0的条件下，如果漏、源之间加上电压UDS，则漏端PN结为反偏，将只有很小的反偏PN结电流从漏极流到源极，但是若栅极加上一定的电压时，表面形成了沟道，它将漏区与源区连通，在UDS作用之下就出现明显的漏极电流，而且漏极电流的大小依赖于栅极电压。MOSFET的栅极和半导体之间被氧化硅层阻隔，器件导通时只有从漏极经过沟道到源极这一条电流通路。MOSFET是一种典型的电压控制型器件Physics of Semiconductor Devices二二 半导体表面空间电荷区半导体表面空间电荷区 在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷 金属和半导体之间的功函数差为零 SiO2层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过 理想MOS结构假设：即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。因此：Physics of Semiconductor DevicesMOS电容器典型金属-氧化物-半导体结构+Physics of Semiconductor Devices0为SiO2层的内建电场，QM为金属极板上的电荷，则半导体表面感应电荷为QS=QM。在外电场的作用下，在半导体表面形成具有相当厚度的空间电荷区，它对电场起到屏蔽作用。空间电荷区的形成是由于自由载流子的过剩或欠缺以及杂质能级上电子浓度的变化引起的。电场从半导体表面到内部逐渐减弱，直到空间电荷区内边界上基本全部被屏蔽而为零。则每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系：半导体表面电场Physics of Semiconductor Devices在空间电荷区中电场的出现使半导体表面与体内之间产生电位差，半导体表面的电势，称为表面势S。在加上电压VG时，外加电压VG为跨越氧化层的电压V0和表面势S所分摊，即有：Physics of Semiconductor Devices金属-氧比物和P型半导体的电位分布图空间电荷区半导体内部边界V0 S SVGPhysics of Semiconductor Devices三三 载流子的积累、耗尽和反型载流子的积累、耗尽和反型空间电荷区静电势(x)的出现改变了空间电荷区中的能带图。根据VG极性和大小，有可能实现三种不同的表面情况：载流子积累；载流子耗尽；半导体表面反型。Physics of Semiconductor Devices当紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时，称为载流子积累。当金属电极上加负电压时，在半导体表面形成负表面电势S，表面空间电荷区中能带向上弯曲，由于费米能级EF保持常数，能带向上弯曲使接近表面处有更大的Ei-EF，与体内相比，在表面处有更高的空穴浓度和更低的电子浓度，使空穴在表面积累，增加表面的电导率。1.载流子的积累载流子的积累Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices当金属电极上施加正偏压VG时，表面势S为正，空间电荷区中能带向下弯曲，准费米能级能级Ei靠近费米能级EF，(Ei EF)值减小，表面空穴浓度低于体内热平衡值，造成多数载流子空穴的耗尽，少数载流子电子有所增加。当由于平衡少子数目极小，因此，少子数目仍然可以忽略。空间电荷由没有空穴中和的固定的受主离子构成。2.载流子耗尽载流子耗尽Physics of Semiconductor Devices单位面积下的总电荷QS为:采用耗尽近似，根据泊松方程有：表面势Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices3.载流子反型载流子反型在耗尽基础上进一步增加偏压VG，MOS系统半导体表面空间电荷区中的能带进一步下弯。大的能带弯曲使硅表面及其附近的禁带中央能量Ei超越恒定的费米能级，即来到费术能级EF的下面。由于少数载流子电子浓度高于本征载流子浓度，而多数载流子空穴的浓度低于本征载流子浓度。这一层半导体由P型变成N型，称为反型层，即载流子反型。Physics of Semiconductor DevicesEiEF，仍为P型EiEF，为N型xI当外加电压VG撤掉之后，反型层消失，PN结也随之消失。这种PN结称为物理PN结，是场感应结。Physics of Semiconductor Devices四四 反型和强反型的条件反型和强反型的条件设半导体体内本征费米能级为Ei0，则空间电荷区内：在半导体表面处有：令：为半导体内的费米势Physics of Semiconductor Devices则可以得到：或或或或当nS=ni时，半导体表面呈现本征状态，此后，再增加S，半导体表面就会发生反型，则有：说明：当表面势等于体内费米势时，半导体表面开始反型。反型条件Physics of Semiconductor Devices强反型条件但除非EiS低于EF很多，否则电子浓度很低，这种现象叫做弱反型；对于大多数MOSFET运用来说，希望确定一种条件，在超过它之后，反型层中的电子电荷浓度相当高，规定当表面电子浓度等于体内平衡多子空穴浓度时，半导体表面形成强反型层，这称为强反型条件，令nS=p0，可得：强反型时的表面势Physics of Semiconductor Devices强反型时的能带图实现强反型之后，如果继续增加偏压VG，能带弯曲并不显著增加。这是因为：导带电子在很薄的强反型层中迅速增加以屏蔽外电场，从而使空间电荷区的势垒高度、固定的受主负电荷以及空间电荷区的宽度基本保持不变。EiSPhysics of Semiconductor Devices强反型时相应的感生PN结耗尽层宽度为：强反型时空间电荷区的宽度超过强反型以后，表面区内的空间电荷由一下条件确定：电离受主QB为：反型层中单位面积的可动电荷，又称沟道电荷。对于P型半导体，Q QI就是反型层中单位面积的电子电荷Physics of Semiconductor Devices思考题：思考题：试分析金属-氧化物-N型半导体系统半导体表面空间电荷区，绘出几种偏压下的能带图。