MOS电容学习教程.pptx

为什么要介绍MOS电容？随机存储器RAM的电荷存储元件 频繁的应用于线性电路和数字电路中 现代电子器件MOSFET，就是建立在MOS的基础之上 第1页/共33页第一页，编辑于星期六：八点 三十七分。集成电路结构 为什么有P+？氧化层的厚度为什么不一样？栅氧栅氧场氧场氧第2页/共33页第二页，编辑于星期六：八点 三十七分。C-V曲线第3页/共33页第三页，编辑于星期六：八点 三十七分。剖面图剖面图能带图能带图有效栅压有效栅压第4页/共33页第四页，编辑于星期六：八点 三十七分。硅衬底中的能带弯曲量 是MOS电容特性中一个非常重要的参数 表面势是相对于硅衬底的体势能的一个参考能级注意与功函数的区别！表面势表面势第5页/共33页第五页，编辑于星期六：八点 三十七分。积累模式在积累模式，表面势的改变相较于栅压的改变量是可以被忽略的这意味着栅压的任何变化的绝大部分都会穿过氧化层 电容等于栅氧电容，与栅压独立。第6页/共33页第六页，编辑于星期六：八点 三十七分。外加一个较小的正有效栅压第7页/共33页第七页，编辑于星期六：八点 三十七分。剖面图剖面图能带图能带图第8页/共33页第八页，编辑于星期六：八点 三十七分。耗尽模式耗尽层电容依赖于外加电压更大的栅电压会产生一个更宽的耗尽层，电容也就越小随着栅压的增加，整体电容会减小MOS电容的这种工作模式称为耗尽模式第9页/共33页第九页，编辑于星期六：八点 三十七分。耗尽模式 表面势紧随着栅压的改变而改变 这表示几乎整个栅压的改变量都落在了半导体表面的耗尽层 耗尽层仿佛是栅氧之外附加的一个电介质层 耗尽层电容与氧化层电容串联在一起，整个MOS电容为 第10页/共33页第十页，编辑于星期六：八点 三十七分。C-V曲线第11页/共33页第十一页，编辑于星期六：八点 三十七分。特征点VMG这个特征点可以用能带图来解释 特征点特征点第12页/共33页第十二页，编辑于星期六：八点 三十七分。特征点VMG栅压增加超过平带电压后，沿着价带顶与费米能级之间差异增加的方向产生了能带的弯曲 这种情形是与表面的空穴减少（甚至最终消除）相联系的 能带弯曲的结果是使禁带中央（Ei线）接近费米能级。特征点就是当禁带中央Ei线恰好与表面处的费米能级相交的点 第13页/共33页第十三页，编辑于星期六：八点 三十七分。特征点VMG在特征点处，硅衬底的表面处于本征硅的情形下 当能带的弯曲大于它时，禁带中央Ei线在某一点会穿过费米能级，使得费米能级相较于离开价带顶的距离而言更接近于导带底 这意味着电子（P型衬底中的少子）的浓度大于硅表面空穴的浓度在表面产生了一个反型层 费米能级的变化表示了什么？弱弱 反反 型型 第14页/共33页第十四页，编辑于星期六：八点 三十七分。注意反型层中的电子（P型区中的少子）来自于热产生的电子-空穴对。由于热产生是一个很缓慢的过程，电子无法快速的响应栅压的改变。因此当栅信号的频率高于100Hz时，所描述的这种电容的增加无法观察到。高频电容由所能达到的最大耗尽层宽度决定。第15页/共33页第十五页，编辑于星期六：八点 三十七分。能带图能带图剖面图剖面图第16页/共33页第十六页，编辑于星期六：八点 三十七分。强反型在强反型中，栅压的变化不会导致表面势的显著变化 这即是说，表面势有一个固定值 方便起见，我们假设在强反型模式下第17页/共33页第十七页，编辑于星期六：八点 三十七分。使表面势达到的栅压被定义为阈值电压阈值电压第18页/共33页第十八页，编辑于星期六：八点 三十七分。强反型的C-V曲线第19页/共33页第十九页，编辑于星期六：八点 三十七分。半导体的功函数对于半导体而言，功函数依赖于？掺杂类型和掺杂水平因为费米能级的位置会随着掺杂而改变。第20页/共33页第二十页，编辑于星期六：八点 三十七分。费米势 一个重要的半导体参数 表达了掺杂的类型和水平 第21页/共33页第二十一页，编辑于星期六：八点 三十七分。对于Si第22页/共33页第二十二页，编辑于星期六：八点 三十七分。注意强反型模式的开启由阈值电压的值决定。与阈值电压有关的两个近似：第23页/共33页第二十三页，编辑于星期六：八点 三十七分。P型衬底的MOS电容阈值电压：N型衬底的MOS电容阈值电压：第24页/共33页第二十四页，编辑于星期六：八点 三十七分。VFB对实际的MOS结构来说，VFB可分为两个部分：第25页/共33页第二十五页，编辑于星期六：八点 三十七分。例1、计算阈值电压MOS电容的工艺参数及相应的物理参数值 参数符号值衬底掺杂浓度NA21016cm-3栅氧厚度tox30nm氧化层电荷密度Q0/q51010cm-2栅的类型N+多晶硅本征载流子浓度ni1.021010cm-3带隙宽度Eg1.12eV室温下的热电压Vt=kT/q0.026二氧化硅介电常数e eox3.4510-11F/m硅介电常数e es1.0410-10F/m第26页/共33页第二十六页，编辑于星期六：八点 三十七分。阈值电压的设计 在CMOS（互补MOS）集成电路工艺中，对于P型衬底和N型衬底必须要提供绝对值相等的阈值电压。对于N型衬底的MOS结构，我们有必要确定其施主浓度ND的值，以保证其阈值电压与P型衬底的MOS电容阈值电压的绝对值相等。第27页/共33页第二十七页，编辑于星期六：八点 三十七分。平平 带带第28页/共33页第二十八页，编辑于星期六：八点 三十七分。如何绘制MOS电容的能带图？和之前一样，最先画费米能级，用虚线表示两种情形：如果系统处于热平衡（加零偏压），整个系统中费米能级是常数。如果栅和衬底之间加了偏压，费米能级（更精确的说，应该是准费米能级）在这种情形下会发生分裂。第29页/共33页第二十九页，编辑于星期六：八点 三十七分。第30页/共33页第三十页，编辑于星期六：八点 三十七分。第31页/共33页第三十一页，编辑于星期六：八点 三十七分。平平 带带第32页/共33页第三十二页，编辑于星期六：八点 三十七分。感谢您的观看！第33页/共33页第三十三页，编辑于星期六：八点 三十七分。