半导体器件——第四章.ppt

4、氧化层及界面电荷对MOSFET阈值电压的影响氧化层及界面电荷的存在会使半导体表面产生电场，能带发生弯曲，偏离理想情况。需要施加平带电压，恢复成能带无弯曲的情况。这种情况下，平带电压的大小与绝缘层中电荷数相关。影响MOSFET阈值电压的因素主要有：1、半导体衬底性质——掺杂浓度NA、本征载流子浓度ni；综上MOSFET阈值电压的表达式：2、绝缘层电容大小——绝缘层介电常数、厚度、面积；3、金属半导体的功函数差；4、绝缘层中电荷数量。5、MOSFET的分类n沟道、p沟道——导电沟道类型增强型、耗尽型——栅压为0时，源漏是否导通4.2.4MOSFET的电流-电压关系栅宽栅长载流子的迁移率绝缘层电容非饱和区：饱和区：进入饱和区后，电流几乎不再受源漏电压的影响，在VGS一定值时，漏极电流保持恒定。该电流值等于B点的电流值.B点对应的源漏电压即为源漏饱和电压：源漏饱和电压饱和区：输出特性曲线上，VDS=VGS-VT的曲线为临界饱和线。非饱和区：饱和区：跨导跨导的大小反应栅压对漏极电流的控制能力。跨导越大，控制能力越强。4.2.6MOSFET的击穿1、栅介质的可靠性与栅介质的击穿当栅压过大时，栅介质会发生击穿。若栅介质发生击穿，半导体表面的载流子会发生泄露，导电沟道消失。（a）三角形势垒遂穿（b）直接遂穿在大电场或大电流的作用下，栅介质中缺陷密度增加，形成导电通道，栅介质完全击穿。半导体器件第四章场效应晶体管场效应晶体管栅极采用PN结结构栅极采用MOS结构——结型场效应晶体管——绝缘栅型场效应晶体管4.2绝缘栅型场效应晶体管4.2.1理想MOS结构金属—氧化物—半导体结构，构成MOS管。MOS结构是绝缘栅型场效应晶体管开关控制的核心部分。金属层引出的电极称为栅极，栅电压的正负是相对硅衬底电压而言的。理想MOS管平衡态的能带图1、理想MOS结构的特征(1)零偏条件下，金属与半导体的功函数差为0，即功函数：费米能级与真空能级之间的能量差理想情况下，平衡态时MOS结构的能带图没有发生弯曲。金属的功函数表示为电子由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，功函数越大，电子越不容易离开金属。（2）在任何直流偏置下，绝缘层内无电荷且绝缘层，完全不导电。（3）绝缘层与半导体界面不存在任何界面态。2、理想MOS结构在非平衡态时的能带图VG<0时，理想MOS管的能带图VG<0时，金属费米能级相对于半导体费米能级上移qVG。—界面两侧费米能级不再统一，费米能级的差值会引起界面处能带发生弯曲。能带弯曲的方向与费米能级变化的方向相同。在半导体与氧化物的界面处（即，能带发生弯曲的区域），费米能级更靠近价带，意味着该区域空穴浓度更高。界面处出现了多数载流子的积累。从MOS管电容理论，理解多数载流子的积累将MOS结构看成平板电容，负的栅压会将半导体表面的电子推向体内，同时把半导体体内的空穴吸引到表面区域，p型硅衬底表面（硅衬底与绝缘层界面处）的空穴浓度高于体内，出现载流子的积累。VG>0时，理想MOS管的能带图VG>0时，金属费米能级相对于半导体费米能级下降qVG。能带弯曲的方向与费米能级变化的方向相同。半导体表面能带向下弯曲。在半导体与氧化物的界面处（即，能带发生弯曲的区域），费米能级更远离价带，意味着该区域空穴浓度降低。界面处出现了多数载流子的耗尽。+VG>>0时，理想MOS管的能带图VG>>0时，金属费米能级相对于半导体费米能级进一步下降。半导体表面能带进一步向下弯曲。栅压增大到一定值时，半导体表面处费米能级高于本征费米能级。表面处电子浓度超过空穴浓度。此时半导体表面出现“反型”。若反型层内电子浓度较低，称为“弱反型”；若反型层内电子浓度等于体内多子浓度时，称为“临界强反型”。通常认为，半导体表面在临界强反型时才具有导电能力。++从MOS管电容理论，理解半导体表面的反型正的栅压会将半导体表面的空穴推向体内，同时把半导体体内的电子吸引到表面区域，p型硅衬底表面（硅衬底与绝缘层界面处）的电子浓度升高，出现反型。P表面电子浓度升高到与体内多子浓度相当时，为临界强反型。此时，半导体表面形成导电沟道，沟道中电子为多子，因此称为n沟道。3、理想n型衬底上MOS结构的能带图（a）平衡态（b）表面积累+（c）表面耗尽（d）表面反型———4、表面势表面势是用于表征半导体表面能带弯曲程度的参数。对