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《及相關(guān)器件（半導(dǎo)體器件物理）ppt課件.ppt》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、MOSFET及相關(guān)器件現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝PhysicsTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30本章內(nèi)容MOS二極管MOSFET基本原理MOSFET按比例縮小CMOS與雙極型CMOS絕緣層上MOSFETMOS存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)功率MOSFET理想MOS二極管MOS二極管在半導(dǎo)體器件物理中占有極其重要的地位，因?yàn)樗茄芯堪雽?dǎo)體表面特性最有用的器件之一．在實(shí)際應(yīng)用中，MOS二極管是先進(jìn)集成電路中最重要的MOSFET器件的樞紐．在集成電路中，MOS二極管亦可作為一儲(chǔ)存電容器，并且是電
2、荷耦合器件(CCD)的基本組成部分MOS二極管的透視結(jié)構(gòu)如圖(a)所示．圖(b)為其剖面結(jié)構(gòu)，其中d為氧化層的厚度，而V為施加于金屬平板上的電壓．當(dāng)金屬平板相對(duì)于歐姆接觸為正偏壓時(shí)，V為正值；而當(dāng)金屬平板相對(duì)于歐姆接觸為負(fù)偏壓時(shí)，V為負(fù)值．MOS二極管右圖為V=0時(shí)，理想p型MOS二極管的能帶圖．功函數(shù)為費(fèi)米能級(jí)與真空能級(jí)之間的能量差(金屬:q?m;半導(dǎo)體:q?s)，qχ為電子親和力，即半導(dǎo)體中導(dǎo)帶邊緣與真空能級(jí)的差值，qΨB為費(fèi)米能級(jí)EF與本征費(fèi)米能級(jí)Ei的能級(jí)差．理想MOS二極管定義為：(1)在零偏壓時(shí)，金屬功函數(shù)q?m與
3、半導(dǎo)體功函數(shù)q?s的能級(jí)差為零或功函數(shù)差q?ms為零，如下式．即在無(wú)外加偏壓之下其能帶是平的(稱為平帶狀況)．(2)在任意的偏壓之下，二極管中的電荷僅位于半導(dǎo)體之中，且與鄰近氧化層的金屬表面電荷量大小相等，但極性相反；(3)在直流偏壓下，無(wú)載流子通過(guò)氧化層，亦即氧化層的電阻值為無(wú)窮大。MOS二極管半導(dǎo)體表面向上彎曲的能帶使得的能級(jí)差EF-Ei變大，進(jìn)而提升空穴的濃度，而在氧化層與半導(dǎo)體的界面處產(chǎn)生空穴堆積，稱為積累現(xiàn)象。其相對(duì)應(yīng)的電荷分布如圖所示.當(dāng)一理想MOS二極管偏壓為正或負(fù)時(shí)，半導(dǎo)體表面可能會(huì)出現(xiàn)三種狀況．對(duì)p型半導(dǎo)體而
4、言，當(dāng)一負(fù)電壓施加于金屬平板上時(shí)，SiO2-Si界面處將產(chǎn)生超量的空穴，接近半導(dǎo)體表面的能帶將向上彎曲，如圖．對(duì)理想MOS二極管而言，不論外加電壓為多少，器件內(nèi)部均無(wú)電流流動(dòng)，所以半導(dǎo)體內(nèi)部的費(fèi)米能級(jí)將維持為一常數(shù)．在半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子密度與能級(jí)差成指數(shù)關(guān)系，即MOS二極管當(dāng)外加一小量正電壓于理想MOS二極管時(shí)，靠近半導(dǎo)體表面的能帶將向下彎曲，使EF=Ei，形成多數(shù)載流子(空穴)耗盡，稱為耗盡現(xiàn)象。在半導(dǎo)體中單位面積的空間電荷Qsc的值為qNAW，其中W為表面耗盡區(qū)的寬度．當(dāng)外加一更大的正電壓時(shí)，能帶向下彎曲得更嚴(yán)重．使得表面
5、的本征能級(jí)Ei越過(guò)費(fèi)米能級(jí)EF，如圖。正柵極電壓將在SiO2-Si的界面處吸引更多的負(fù)載流子(電子)．半導(dǎo)體中電子的濃度與能差EF-Ei成指數(shù)關(guān)系，即MOS二極管由于EF-Ei＞0，在半導(dǎo)體表面上的電子濃度將大于ni，而空穴濃度將小于ni，即表面的電子(少數(shù)載流子)數(shù)目大于空穴(多數(shù)載流子)，表面載流子呈現(xiàn)反型，稱為反型現(xiàn)象．起初，因電子濃度較小，表面處于一弱反型的狀態(tài)，當(dāng)能帶持續(xù)彎曲，使得導(dǎo)帶的邊緣接近費(fèi)米能級(jí)．當(dāng)靠近SiO-Si由界面的電子濃度等于襯底的摻雜量時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生強(qiáng)反型．在此之后，大部分在半導(dǎo)體中額外的負(fù)電荷是由電
6、子在很窄的n型反型層(0≤x≤xi)中產(chǎn)生的電荷Qn[如圖]所組成，其中xi為反型層的寬度．xi典型值的范圍從1nm~10nm，且通常遠(yuǎn)小于表面耗盡區(qū)的寬度．MOS二極管一、表面耗盡區(qū)：下圖為p型半導(dǎo)體表面更為詳細(xì)的能帶圖．在半導(dǎo)體襯底內(nèi)的靜電勢(shì)Ψ定義為零．在半導(dǎo)體表面Ψ=Ψs，Ψs稱為表面電勢(shì)．將電子與空穴的濃度表示為Ψ的函數(shù)：其中當(dāng)能帶如圖向下彎曲時(shí)，Ψ為正值．表面載流子密度為MOS二極管FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEByqyq)0(SS>yyqix半導(dǎo)體氧化層FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEByqyq)0(SS>yyqix
7、半導(dǎo)體氧化層FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEByqyq)0(SS>yyqix半導(dǎo)體氧化層根據(jù)以上的討論，以下各區(qū)間的表面電勢(shì)可以區(qū)分為Ψs<0：空穴積累(能帶向上彎曲)；Ψs=0：平帶情況；ΨB>Ψs>0：空穴耗盡(能帶向下彎曲)；Ψs=ΨB：禁帶中心，即ns＝np＝ni(本征濃度)；Ψs>ΨB：反型(能帶向下彎曲超過(guò)費(fèi)米能級(jí))．電勢(shì)為距離的函數(shù)，可由一維的泊松方程式求得為其中ρs(x)為位于x處的單位體積電荷密度，而εs為介電常數(shù)MOS二極管FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEByqyq)0(SS>yyqix半導(dǎo)體氧化層FEVEiE
8、CE半導(dǎo)體表面gEByqyq)0(SS>yyqix半導(dǎo)體氧化層FEVEiECE半導(dǎo)體表面gEByqyq)0(SS>yyqix半導(dǎo)體氧化層下面采用耗盡近似法分析p-n結(jié)．當(dāng)半導(dǎo)體耗盡區(qū)寬度達(dá)到W時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的電荷為ρs=-qNAW，積分泊松方程式可得距離x的函數(shù)的表面耗盡區(qū)的靜
