MOS结构电容-电压特性(共6页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上MOS结构高频C-V特性测试MOS结构电容-电压特性(简称C-V特性)测量是检测MOS器件制造工艺的重要手段。它可以方便地确定二氧化硅层厚度、衬底掺杂浓度N、氧化层中可动电荷面密度、和固定电荷面密度等参数。本实验目的是通过测量MOS结构高频C-V特性及偏压温度处理(简称BT处理),确定、N、和等参数。一、 实验原理MOS结构如图1(a)所示,它类似于金属和介质形成的平板电容器。但是,由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多,所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度(微米量级),而不像金属中那样,只集中在一薄层(0.1nm)内。半导体表面空间电荷区的厚度随偏压
2、而改变,所以MOS电容是微分电容 (1)式中是金属电极上的电荷面密度,A是电极面积。现在考虑理想MOS结构。所谓理想情形,是假设MOS结构满足以下条件:(1)金属与半导体间功函数差为零;(2)绝缘层内没有电荷;(3)与半导体界面处不存在界面态。偏压VG一部分在降在上,记作;一部分降在半导体表面空间电荷区,记作,即 (2)又叫表面势。考虑到半导体表面空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号相反,有 (3)式中是半导体表面空间电荷区电荷面密度。将式(2)、(3)代入式(1), (4)式(4)表明MOS电容由和串联构成,其等效电路如图1(b)所示。其中是以为介质的氧化层电容,它的数值不随改变;
3、是半导体表面空间区电容,其数值随改变,因此 (5) (6)式中是相对介电常数。p型衬底理想MOS结构高频C-V特性曲线如图(2)所示。图中V代表偏压。最大电容,最小电容和最大电容之间有如下关系1: (7)式中是半导体的相对介电常数。时,半导体表面能带平直,称为平带。平带时的MOS电容称为平带电容,记作。对于给定的MOS结构,归一化平带电容由下式给出1: (8)平带时所对应的偏压称为平带电压,记作。显然,对于理想MOS结构,。现在考虑实际的MOS结构。由于中总是存在电荷(通常是正电荷),且金属的功函数和半导体的功函数通常并不相等,所以一般不为零。若不考虑界面态的影响,有 (9)式中是中电荷的等效
4、面密度,它包括可动电荷和固定电荷两部分。“等效”是指把中随机分布的电荷对的影响看成是集中在Si-SiO2界面处的电荷对的影响。是金属-半导体接触电势差, (10)对于铝栅p型硅MOS结构,大于零,通常也大于零(正电荷),所以,如图3中的曲线1所示。作为对比,图中还画出了相应的理想曲线(曲线0)。利用正、负偏压温度处理的方法(简称处理)可将可动电荷和固定电荷区分开来,负BT处理是给样品加一定的负偏压(即),同时将样品加热到一定的温度。由于可动电荷(主要是带正电的离子)在高温小有较大的迁移率,它们将在高温负偏压条件下向金属-界面运动。经过一定的时间,可以认为中的可动电荷基本上全部运动到金属-界面处
5、。保持偏压不变,将样品冷却至室温,然后去掉偏压,测量高频C-V特性,得到图18.3中的曲线2。由于这时可动电荷已经全部集中到金属-界面处,对平带电压没有影响了,根据(9)式可得 (11)若已知,由式(18.11)可以确定中的固定电荷面密度 (12)改变偏压极性,作正BT处理。加热的温度和时间与负BT相同。正BT处理后,测量高频C-V特性,得到图3中的曲线3。由于这时可动电荷已基本上全部集中到界面处,所以中包含了和的影响。根据式(9)和式(11) (13)令,由式(13)可确定可动电荷面密度 (14)本实验所用仪器设备主要包括三部分:测试台(包括样品台、探针、升温和控温装置等)、高频(1MHz或
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- MOS 结构 电容 电压 特性
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