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《金氧半二極體、電晶體及其電性討論》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、聚積狀態(tài)空乏狀態(tài)理想金氧半(MOS)二極體的能帶圖:理想金氧半(MOS)二極體的能帶圖:反轉(zhuǎn)(inversion)電荷分佈圖電場分佈圖電位分佈圖SiO2-SiMOS二極體電特性最接近理想MOS二極體。與理想二極體最大差異：a.金屬電極與半導(dǎo)體之功函數(shù)差q?ms不為零；b.氧化層中或介面處有電荷存在。所以熱平衡時的半導(dǎo)體區(qū)之能帶圖有彎曲，不為平帶情形(flat-bandcondition)。?ms與使半導(dǎo)體恢復(fù)平帶狀況之電壓（平帶電壓flat-bandvoltage)為所關(guān)心之量。功函數(shù)差（Workfunctiondifference）=0.9V熱平衡狀態(tài)下e?’m
2、：修正的金屬功函數(shù)功函數(shù)e?’：修正半導(dǎo)體的電子親和力?s0：表面電位事實上，因為?m、?有能量差，故形成MOS結(jié)構(gòu)時，氧化層就會跨有一個電位差Vox0，半導(dǎo)體能帶也會有彎曲e?s0。氧化層中或介面處有電荷存在。表示e?s0-e?fp由費米能階至真空能階之能量為：eVox0+e?I+e?m’由費米能階至真空能階之能量為：e?I+e?’+Eg/2-(e?s0-e?fp)功函數(shù)差?ms（續(xù)）將金屬區(qū)和半導(dǎo)體區(qū)的費米能階至真空能階之能量相比較：整理可得：定義為功函數(shù)差?ms功函數(shù)差?ms（續(xù)）以p+複晶矽（假設(shè)EF=Ev）為閘極：p型基板的功函數(shù)差功函數(shù)差?ms（續(xù)）以
3、n+複晶矽（假設(shè)EF=Ec）為閘極，p型基板：n型基板的功函數(shù)差功函數(shù)差?ms（續(xù)）平帶電壓（Flat-bandvoltage）定義：使半導(dǎo)體區(qū)之能帶無彎曲所施加的閘極電壓。加閘極電壓，跨於氧化層及半導(dǎo)體的表面電位會改變：即?ms即半導(dǎo)體層內(nèi)無電荷存在平帶電壓VFB（續(xù)）當(dāng)VG=VFB時，?s=0，故可得：氧化層所跨電位可以下分析得知：故可得平帶電壓公式：平衡狀態(tài)Vox平帶狀態(tài)平帶狀態(tài)下，假設(shè)氧化層電荷QO存在與半導(dǎo)體之界面處（即x0=d），則可得：ox氧化層電荷：可區(qū)分為四種電荷:1.介面捕獲電荷(Qit)2.固定氧化物電荷(Qf)3.氧化層陷住電荷(Qot)4
4、.可動離子電荷(Qm)~介面陷住電荷Qit~ (interfacetrappedcharge)產(chǎn)生原因：起因於Si-SiO2介面的不連續(xù)性及介面上的未飽和鍵。通常Qit的大小與介面化學(xué)成分有關(guān)。改善方法：於矽上以熱成長二氧化矽的MOS二極體使用低溫（約450℃）氫退火來中和大部分的介面陷住電荷，或選擇低阻陷的晶片。~固定氧化層電荷Qf~ (fixedoxidecharge)產(chǎn)生原因：當(dāng)氧化停止時，一些離子化的矽就留在介面處（約30?處）。這些離子及矽表面上的不完全矽鍵結(jié)產(chǎn)生了正固定氧化層電荷Qf。改善方法：可藉由氧化製程的適當(dāng)調(diào)整，或是回火(Annealing)來
5、降低其影響力或是選擇較佳的晶格方向。~氧化層陷住電荷Qot~(oxidetrappedcharge)產(chǎn)生原因：主要是因為MOS操作時所產(chǎn)生的電子電洞被氧化層內(nèi)的雜質(zhì)或未飽和鍵所捕捉而陷入。改善方法：可利用低溫回火消除掉。~可移動離子電荷Qm~ (mobileioniccharge)產(chǎn)生原因：通常是鈉、鉀離子等鹼金屬雜質(zhì)，在高溫和高正、負(fù)偏壓操作下可於氧化層內(nèi)來回移動，並使得電容-電壓特性沿著電壓軸產(chǎn)生平移。改善方法：藉由在矽氧化製成進(jìn)行時，於反應(yīng)氣體進(jìn)行時加入適量HCl，其中的Cl離子會中和SiO2層內(nèi)的鹼金屬離子。氧化層電荷對CV圖的影響其中平帶電壓狀態(tài)介於聚積
6、狀態(tài)與空乏狀態(tài)之間：由平帶電壓公式可知：Qo為正時，平帶電壓會比?ms小Qo為負(fù)時，平帶電壓會比?ms大氧化層電荷對CV圖的影響（續(xù)）由平帶電壓的分析可知，當(dāng)氧化層電荷為正時，CV圖會往左平移，且電荷越多，平移量越多；當(dāng)氧化層電荷為負(fù)時，CV圖會往右平移。Qo包括：固定氧化層電荷Qf、氧化層陷住電荷Qot以及移動性離子電荷Qm。界面電荷對CV圖的影響表面週期性終止，有懸鍵產(chǎn)生，在禁制能帶會形成界面態(tài)階。電荷可在半導(dǎo)體與界面態(tài)階之間流動，隨著偏壓之改變，界面態(tài)階與費米能階的相關(guān)位置不同，界面的淨(jìng)電荷也會改變。一般而言，在EFi上方的稱為受體態(tài)階，在EFi下方的稱為施
7、體體態(tài)階。施體態(tài)階：因費米能階在施體態(tài)階之上（填滿）時，為電中性；費米能階在施體態(tài)階之下（空的）時，為帶正電。受體態(tài)階：因費米能階在受體態(tài)階之下（空的）時，為電中性；費米能階在施體態(tài)階之上（填滿）時，為帶負(fù)電。界面電荷對CV圖的影響（續(xù)）聚積狀態(tài)下（偏壓為負(fù)），受體態(tài)階都在費米能階之上，故為中性；但部分施體態(tài)階在費米能階之上，故為帶正電。即聚積狀態(tài)下，界面淨(jìng)電荷為正。偏壓轉(zhuǎn)為正，當(dāng)EF正好等於EFi時，受體態(tài)階都在費米能階之上，故為中性；施體態(tài)階都在費米能階之上，故也為中性。即偏壓由負(fù)轉(zhuǎn)正時，正好有一個狀態(tài)（中間能隙），界面淨(jìng)電荷為零。以p型半導(dǎo)體為例：界面電荷對
8、CV圖的影
