及相关器件（半导体器件物理）ppt课件.ppt

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1、MOSFET及相关器件现代半导体器件物理与工艺PhysicsTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30本章内容MOS二极管MOSFET基本原理MOSFET按比例缩小CMOS与双极型CMOS绝缘层上MOSFETMOS存储器结构功率MOSFET理想MOS二极管MOS二极管在半导体器件物理中占有极其重要的地位，因为它是研究半导体表面特性最有用的器件之一．在实际应用中，MOS二极管是先进集成电路中最重要的MOSFET器件的枢纽．在集成电路中，MOS二极管亦可作为一储存电容器，并且是电

2、荷耦合器件(CCD)的基本组成部分MOS二极管的透视结构如图(a)所示．图(b)为其剖面结构，其中d为氧化层的厚度，而V为施加于金属平板上的电压．当金属平板相对于欧姆接触为正偏压时，V为正值；而当金属平板相对于欧姆接触为负偏压时，V为负值．MOS二极管右图为V=0时，理想p型MOS二极管的能带图．功函数为费米能级与真空能级之间的能量差(金属:qm;半导体:qs)，qχ为电子亲和力，即半导体中导带边缘与真空能级的差值，qΨB为费米能级EF与本征费米能级Ei的能级差．理想MOS二极管定义为：(1)在零偏压时，金属功函数qm与

3、半导体功函数qs的能级差为零或功函数差qms为零，如下式．即在无外加偏压之下其能带是平的(称为平带状况)．(2)在任意的偏压之下，二极管中的电荷仅位于半导体之中，且与邻近氧化层的金属表面电荷量大小相等，但极性相反；(3)在直流偏压下，无载流子通过氧化层，亦即氧化层的电阻值为无穷大。MOS二极管半导体表面向上弯曲的能带使得的能级差EF-Ei变大，进而提升空穴的浓度，而在氧化层与半导体的界面处产生空穴堆积，称为积累现象。其相对应的电荷分布如图所示.当一理想MOS二极管偏压为正或负时，半导体表面可能会出现三种状况．对p型半导体而

4、言，当一负电压施加于金属平板上时，SiO2-Si界面处将产生超量的空穴，接近半导体表面的能带将向上弯曲，如图．对理想MOS二极管而言，不论外加电压为多少，器件内部均无电流流动，所以半导体内部的费米能级将维持为一常数．在半导体内部的载流子密度与能级差成指数关系，即MOS二极管当外加一小量正电压于理想MOS二极管时，靠近半导体表面的能带将向下弯曲，使EF=Ei，形成多数载流子(空穴)耗尽，称为耗尽现象。在半导体中单位面积的空间电荷Qsc的值为qNAW，其中W为表面耗尽区的宽度．当外加一更大的正电压时，能带向下弯曲得更严重．使得表面

5、的本征能级Ei越过费米能级EF，如图。正栅极电压将在SiO2-Si的界面处吸引更多的负载流子(电子)．半导体中电子的浓度与能差EF-Ei成指数关系，即MOS二极管由于EF-Ei＞0，在半导体表面上的电子浓度将大于ni，而空穴浓度将小于ni，即表面的电子(少数载流子)数目大于空穴(多数载流子)，表面载流子呈现反型，称为反型现象．起初，因电子浓度较小，表面处于一弱反型的状态，当能带持续弯曲，使得导带的边缘接近费米能级．当靠近SiO-Si由界面的电子浓度等于衬底的掺杂量时，开始产生强反型．在此之后，大部分在半导体中额外的负电荷是由电

6、子在很窄的n型反型层(0≤x≤xi)中产生的电荷Qn[如图]所组成，其中xi为反型层的宽度．xi典型值的范围从1nm~10nm，且通常远小于表面耗尽区的宽度．MOS二极管一、表面耗尽区：下图为p型半导体表面更为详细的能带图．在半导体衬底内的静电势Ψ定义为零．在半导体表面Ψ=Ψs，Ψs称为表面电势．将电子与空穴的浓度表示为Ψ的函数：其中当能带如图向下弯曲时，Ψ为正值．表面载流子密度为MOS二极管FEVEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix

7、半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层根据以上的讨论，以下各区间的表面电势可以区分为Ψs<0：空穴积累(能带向上弯曲)；Ψs=0：平带情况；ΨB>Ψs>0：空穴耗尽(能带向下弯曲)；Ψs=ΨB：禁带中心，即ns＝np＝ni(本征浓度)；Ψs>ΨB：反型(能带向下弯曲超过费米能级)．电势为距离的函数，可由一维的泊松方程式求得为其中ρs(x)为位于x处的单位体积电荷密度，而εs为介电常数MOS二极管FEVEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层FEVEiE

8、CE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEByqyq)0(SS>yyqix半导体氧化层下面采用耗尽近似法分析p-n结．当半导体耗尽区宽度达到W时，半导体内的电荷为ρs=-qNAW，积分泊松方程式可得距离x的函数的表面耗尽区的静