Lecture23 第六章 理想MOS结构的表面空间电荷区.ppt

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1、 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceChap.6 Chap.6 MOSFET MOSFET Lecture 23Lecture 23Lecture 23Lecture 23：6.16.16.16.1理想理想MOSMOS结构的结构的表面空间电荷区表面空间电荷区Prof.Prof.GaobinGaobin XuXuMicro Electromechanical System Research Center of Micro Electromech

2、anical System Research Center of Engineering and Technology of Engineering and Technology of AnhuiAnhui Province of Province of HefeiHefei University of Technology University of Technology HefeiHefei,AnhuiAnhui 230009,China 230009,ChinaE-mailE-mail: Micro Electromechanical System Research Center of

3、Engineering and Technology of Anhui ProvinceOutline1.1.结构与工作原理结构与工作原理2.2.半导体表面空间电荷区半导体表面空间电荷区3.3.载流子的积累、耗尽和反型载流子的积累、耗尽和反型4.4.反型和强反型的条件反型和强反型的条件 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceMOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect transistor前言：金金属

4、属-氧氧化化物物-半半导导体体场场效效应应晶晶体体管管（MOSFETMOSFET）是是微微处处理理器器、半半导导体体存存储储器器等等超超大大规规模模集集成成电电路路中中的的核核心器件和主流器件，也是一种重要的功率器件。心器件和主流器件，也是一种重要的功率器件。Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province一一 结构与工作原理结构与工作原理MOSFETMOSFET结构示意图结构示意图 Micro Electromechanical System Resea

5、rch Center of Engineering and Technology of Anhui Province源源极极、衬衬底底和和漏漏极极构构成成两两个个背背靠靠背背的的二二极极管管。在在不不加加栅栅压压时时，只只能能有有很很小小的的反反向向饱饱和和电电流流通通过过源源漏漏极极。当当栅栅压压足足够够大时，栅极下面半导体会反型。大时，栅极下面半导体会反型。衬底衬底衬底衬底N N N N型半导体型半导体型半导体型半导体P P P P型反型层型反型层型反型层型反型层P P P P沟道沟道沟道沟道MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET衬底衬底衬底衬底P P P P型半导体型半导体型半

6、导体型半导体N N N N型反型层型反型层型反型层型反型层N N N N沟道沟道沟道沟道MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET反反型型层层出出现现后后，再再增增加加电电极极上上的的电电压压，主主要要是是反反型型层层中中的的电电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本上不再增加。子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本上不再增加。Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province Micro Electromechanical System Resear

7、ch Center of Engineering and Technology of Anhui Province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金属和半导体之间的功函数差为零 SiOSiO2 2层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过 理想理想MOSMOS结构假设：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。整

8、个表面空间电荷区中费米能级为常数。因此：因此：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province 0为为SiO2层层的的内内建建电电场场，QM为为金金属属极极板板上上的的电电荷荷，则则半半导导体体表表面面感感应应电电荷荷为为QS=QM。在在外外电电场场的的作作用用下下，在在半半导导体体表表面面形形成成具具有有相相当当厚厚度度（）的的空空间间电电荷荷区区，它它对对电电场场起起到到屏屏蔽蔽作作用用。空空间间电电荷荷区区的的形形成成是是由由于于自自由由载载流流子子

9、的的过过剩剩或或欠欠缺缺以及杂质能级上电子浓度的变化引起的。以及杂质能级上电子浓度的变化引起的。Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province在在空空间间电电荷荷区区中中电电场场的的出出现现使使半半导导体体表表面面与与体体内内之之间间产产生生电电位位差差，半半导导体体表表面面的的电电势势，称称为为表表面面势势 。在在加加上上电电压压VG时时，外外加电压加电压VG为跨越氧化层的电压为跨越氧化层的电压V0和表面势和表面势 所分摊，即有：所分摊，即有：电电场场

10、 从从半半导导体体表表面面到到内内部部逐逐渐渐减减弱弱，直直到到空空间间电电荷荷区区内内边边界界上上基基本本全全部部被被屏屏蔽蔽而而为为零零。则则每每个个极极板板上上的的感感应应电电荷荷与与电电场场之之间满足如下关系：间满足如下关系：sEsE：半导体表面电场：半导体表面电场：半导体表面电场：半导体表面电场 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province金属-氧比物和P型半导体的电位分布图 Micro Electromechanical System Re

11、search Center of Engineering and Technology of Anhui Province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空间电荷区静电势 的出现改变了空间电荷区中的能带图。的出现改变了空间电荷区中的能带图。根据根据VG极性和大小，有可能实现三种不同的表面情况：极性和大小，有可能实现三种不同的表面情况：载流子积累；载流子积累；载流子耗尽；载流子耗尽；半导体表面反型。半导体表面反型。Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technol

12、ogy of Anhui Province设半导体体内本征费米能级为设半导体体内本征费米能级为Ei0，则空间电荷区内：则空间电荷区内：在半导体表面处有：在半导体表面处有：令：令：为半导体内的费米势为半导体内的费米势 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province可以得到：OR半导体表面层的载流子分布：半导体表面层的载流子分布：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and

13、 Technology of Anhui ProvinceOR半导体表面层的载流子分布：半导体表面层的载流子分布：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province1.载流子的积累载流子的积累当当紧紧靠靠硅硅表表面面的的多多数数载载流流子子浓浓度度大大于于体体内内热热平平衡衡多多数数载载流流子子浓浓度时，称为载流子积累。度时，称为载流子积累。当当金金属属电电极极上上加加负负电电压压时时，在在半半导导体体表表面面形形成成负负表表面面电电势势 ，表表面面空空间间

14、电电荷荷区区中中能能带带向向上上弯弯曲曲，由由于于费费米米能能级级EF保保持持常常数数，能能带带向向上上弯弯曲曲使使接接近近表表面面处处有有更更大大的的Ei-EF，与与体体内内相相比比，在在表表面面处处有有更更高高的的空空穴穴浓浓度度和和更更低低的的电电子子浓浓度度，使使空空穴穴在在表表面面积积累累，增加表面的电导率。增加表面的电导率。表面电荷为：表面电荷为：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province载流子积累载流子积累 Micro Electrom

15、echanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province2.载流子耗尽载流子耗尽当当金金属属电电极极上上施施加加正正偏偏压压VG时时，表表面面势势 为为正正，空空间间电电荷荷区区中中能能带带向向下下弯弯曲曲，准准费费米米能能级级能能级级Ei靠靠近近费费米米能能级级EF,(Ei EF)值值减减小小，表表面面空空穴穴浓浓度度低低于于体体内内热热平平衡衡值值，造造成成多多数数载载流流子子空空穴穴的的耗耗尽尽，少少数数载载流流子子电电子子有有所所增增加加。当当由由于于平平衡衡少少子子数数目目极极小小

16、，因此因此，少子数目仍然可以忽略。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。空间电荷由没有空穴中和的、固定的受主离子构成。Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province单位面积下的总电荷单位面积下的总电荷QS为为:采用耗尽近似，根据泊松方程有：采用耗尽近似，根据泊松方程有：表面势表面势QB:半半导导体体空空间间电电荷荷区区中中单单位位面积下的受主离子总电荷面积下的受主离子总电荷 Micro Electromechanical S

17、ystem Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province载流子耗尽载流子耗尽 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province3.载流子反型载流子反型在在耗耗尽尽基基础础上上进进一一步步增增加加偏偏压压VG，MOS系系统统半半导导体体表表面面空空间间电电荷荷区区中中的的能能带带进进一一步步下下弯弯。大大的的能能带带弯弯曲曲使使硅硅表表面面及及其其附附近近的的禁禁带带中中央央能

18、能量量Ei超超越越恒恒定定的的费费米米能能级级，即即来来到到费费术术能能级级EF的的下面。下面。使使得得：少少数数载载流流子子电电子子浓浓度度高高于于本本征征载载流流子子浓浓度度，而而多多数数载载流流子子空空穴穴的的浓浓度度低低于于本本征征载载流流子子浓浓度度。这这一一层层半半导导体体由由P型型变变成成N型，称为反型层，即载流子反型。型，称为反型层，即载流子反型。Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province载流子反型载流子反型 Micro Electr

19、omechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province当当nS=ni时，半导体表面呈现本征状态，此后，再增加时，半导体表面呈现本征状态，此后，再增加 ，半，半导体表面就会发生反型，则有：导体表面就会发生反型，则有：当表面势等于体内费米势时，半导体表面开始反型当表面势等于体内费米势时，半导体表面开始反型当表面势等于体内费米势时，半导体表面开始反型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反型条件四四 反型和强反型的条件反型和强反型的条件 Micro Electromechani

20、cal System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province强反型条件强反型条件强反型条件强反型条件但但除除非非EiS低低于于EF很很多多，否否则则电电子子浓浓度度很很低低，这这种种现现象象叫叫做做弱弱反反型型；对对于于大大多多数数MOSFET运运用用来来说说，希希望望确确定定一一种种条条件件，在在超超过过它它之之后后，反反型型层层中中的的电电子子电电荷荷浓浓度度相相当当高高，规规定定当当表表面面电电子子浓浓度度等等于于体体内内平平衡衡多多子子空空穴穴浓浓度度时时，半半导导体体表表面面形形成成强反型层，这称

21、为强反型条件强反型层，这称为强反型条件，令，令ns=p0，可得：，可得：强反型时的表面势强反型时的表面势 Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province实实实实现现现现强强强强反反反反型型型型之之之之后后后后，如如如如果果果果继继继继续续续续增增增增加加加加偏偏偏偏压压压压V VGG，能带弯曲并不显著增加能带弯曲并不显著增加能带弯曲并不显著增加能带弯曲并不显著增加。因因因因为为为为：导导导导带带带带电电电电子子子子在在在在很很很很薄薄薄薄的的的的强强强强

22、反反反反型型型型层层层层中中中中迅迅迅迅速速速速增增增增加加加加以以以以屏屏屏屏蔽蔽蔽蔽外外外外电电电电场场场场，从从从从而而而而使使使使空空空空间间间间电电电电荷荷荷荷区区区区的的的的势势势势垒垒垒垒高高高高度度度度、固固固固定定定定的的的的受受受受主主主主负负负负电电电电荷荷荷荷以以以以及及及及空空空空间间间间电电电电荷荷荷荷区区区区的的的的宽宽宽宽度度度度基基基基本保持不变。本保持不变。本保持不变。本保持不变。Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Prov

23、ince强反型时相应的感生强反型时相应的感生PN结耗尽层宽度为：结耗尽层宽度为：强反型时空间电荷区的宽度强反型时空间电荷区的宽度电离受主电离受主QB为：为：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province超过强反型以后，表面区内的空间电荷由以下条件确定：超过强反型以后，表面区内的空间电荷由以下条件确定：反反型型层层中中单单位位面面积积的的可可动动电电荷荷，又又称称沟沟道道电电荷荷。对对于于P型型半半导导体体，QI就就是是反反型型层层中中单单位位面面积积的的感感生电子电荷生电子电荷