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1、实际MOS的平带电压及C-V特性2022/11/271功函数差的影响功函数差的影响2022/11/272qVoxqs2022/11/273EvEc平带时的能带图 由于功函数的不同，在没由于功函数的不同，在没有外加偏压的时候，在半导体有外加偏压的时候，在半导体表面就存在表面势表面就存在表面势。因此，。因此，欲使能带平直，即除去功函数欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影响，就必须在金差所带来的影响，就必须在金属电极上加电压。这个电压一属电极上加电压。这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带，部分用来拉平二氧化硅的能带，一部分用来拉平半导体的能带，一部分用来拉平半导体的能带，使使 s 0。因此称。因此
2、称VFB其为平其为平带电压。带电压。2022/11/274氧化物电荷及其对C-V特性的影响2022/11/275氧化物电荷氧化物电荷2022/11/2761 1、界面陷阱电荷（界面陷阱电荷（interface trapped chargeinterface trapped charge）硅（硅（100100）面，）面，约约 ，硅（硅（111）面，）面，约约 。2 2、氧化物固定电荷（、氧化物固定电荷（fixed oxide chargefixed oxide charge）位位于于 界界面面约约3nm的的范范围围内内，这这些些电电荷荷是是固固定定的，正的。的，正的。（100100）面，）面，约
3、为约为 ，（111111）面面，约约为为 ，因因为为（100100）面面的的 和和 较较低低，故故硅硅MOSFETMOSFET一一般般采采用用（100100）晶面。）晶面。2022/11/2773 3、氧氧 化化 物物 陷陷 阱阱 电电 荷荷（oxide oxide trapped trapped chargecharge）大都可以通过低温退火消除。大都可以通过低温退火消除。4 4、可动离子电荷（、可动离子电荷（mobile ionic chargemobile ionic charge）诸诸如如钠钠离离子子和和其其它它碱碱金金属属离离子子，在在高高温温和和高高压压下下工工作时，它们能在氧化层
4、内移动。作时，它们能在氧化层内移动。2022/11/278氧化物中电荷对C-V特性的影响2022/11/279克克服服硅硅二二氧氧化化硅硅界界面面电电荷荷和和二二氧氧化化硅中电荷影响所需要的平带电压：硅中电荷影响所需要的平带电压：如如果果氧氧化化层层中中正正电电荷荷连连续续分分布布，电电荷荷体密度为体密度为 ，则，则总的平带电压总的平带电压 M SiO2 Si0 x+dx x00 x+dx x0 M SiO2 Si2022/11/2710其中其中 称为有效面电荷。称为有效面电荷。2022/11/2711实际的实际的MOS阈值电压和阈值电压和C-V曲线曲线平带电压平带电压阈值电压阈值电压 第第一
5、一项项是是，为为消消除除半半导导体体和和金金属属的的功功函函数数差差的的影影响响，金金属属电电极相对于半导体所需要加的外加电压；极相对于半导体所需要加的外加电压；第第二二项项是是为为了了把把绝绝缘缘层层中中正正电电荷荷发发出出的的电电力力线线全全部部吸吸引引到到金属电极一侧所需要加的外加电压；金属电极一侧所需要加的外加电压；第三项是支撑出现强反型时的体电荷第三项是支撑出现强反型时的体电荷 所需要的外加电压；所需要的外加电压；第四项是开始出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。第四项是开始出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。2022/11/2712实际MOS的C-V曲线（一）2022/11/
6、2713界面态对C-V特性的影响2022/11/2714界面态的性质界面态受主态施主态2022/11/2715界面态的性质中性受主正施主中性施主中性受主中性施主中性受主中性施主负受主2022/11/2716界面态对C-V曲线的影响2022/11/2717B-TB-T实验：测量离子沾污程度实验：测量离子沾污程度ABCA：原始：原始C-V曲线。曲线。B：加：加10V正偏压，在正偏压，在127 C，30min后测试结果后测试结果C：加：加10V正负偏压，在正负偏压，在127 C，30min后测试结果后测试结果2022/11/2718例题nP型硅衬底MOS结构，衬底掺杂浓度为Na=1014，氧化层厚度
7、为tox=500，栅是n+多晶硅，设QSS=1010cm-2,确定平带电压及值阈电压？解：2022/11/2719结论：半导体衬底的掺杂比较低，在零栅压条件下，氧化层中的正电荷及功函数差已经使半导体表面处于反型，所以阈值电压是负值。2022/11/2720例题：P型衬底，Na1014cm-3，氧化层厚度500，ms=-0.83V。求阈值电压VT，画出能带图,氧化层上压降是多少？2022/11/27212022/11/2722n 理想的低频C-V在强积累和强反型的电容值等于栅氧化层电容Cox，但在某些实验中观察到如下一些现象，分析其可能的物理机制：1.C-V曲线出现滞回现象；2.C-V曲线在耗尽
8、区的斜率变缓；3.栅电极为掺杂多晶硅时，反型层电容下降；如何减弱和消除该效应；4.栅电极为金属栅，但强反型区电容值略低于强积累区电容；如何减弱该效应；思考题2022/11/2723n假定nMOS电容结构的金属栅电极的功函数为M，半导体Si的亲和势为，衬底掺杂浓度为Nd（功函数为S），栅氧化层厚度为tox。在制备nMOS电容时氧化层中形成密度为Qf的正的固定电荷。1.假设该正的固定电荷形成在氧化层与Si界面处，写出其平带电压表达式，示意画出其平衡能带图；2.如果该正的固定电荷形成在氧化层中部即1/2tox处，平带电压如何变化？3.比较固定电荷分别位于界面和氧化层中部时的低频C-V特性曲线；4.假
9、设在氧化层与Si衬底界面存在呈U型连续分布的施主型界面态（禁带中央界面态密度极大），示意画出其C-V特性曲线（与不存在界面态比较）思考题2022/11/2724nMOS结构的Si与氧化层界面存在连续分布的界面态，假设在禁带中本征费米Ei能级以上的界面态为类施主型，以下的是类受主型，讨论分析界面态对CV特性曲线的影响（以理想情形为标准画图说明）；如果在禁带中本征费米Ei能级以上的界面态为受主类型，以下的是类施主型，界面态对CV特性曲线的影响又如何（以理想情形为标准画图说明）？思考题2022/11/2725习题1.设 ，画出n-Si衬底的MOS电容分别在平衡、平带、积累、耗尽、反型情形的能带图及理想的高频和低频CV曲线，并画出相应的电荷分布及电场分布。2.设氧化层厚度为1m的Si MOS结构的p型衬底的掺杂浓度分别为N1015/cm3和1016/cm3，比较这两种结构的耗尽层电容和MOS电容的极小值。3.从物理上说明随氧化层厚度及掺杂浓度的变化趋势。计算 ，的N型Si MOS结构的值和德拜长度。4.在 MOS结构中，减薄氧化层厚度对CV曲线有何影响？如果改变衬底掺杂浓度，对CV曲线有何影响？2022/11/2726