金属-绝缘体(氧化层)-半导体构成MOS结构,金属作为栅极,当栅极零偏时,理想情况下半导体能带是平的,意味着半导体内没有净电荷存在。
以P型半导体为例,对栅极加负电压,受电场的影响,氧化物-半导体界面处的价带更加靠近费米能级,说明这里有空穴的堆积,由于没有电流流过,费米能级依然是水平的。
加正偏压情况,界面处空穴被推离,费米能级离价带更远,产生空间电荷区。
继续增大电压,费米能级变得更接近导带,说明半导体表面已从P型变成了N型,产生了电子反型层。
先定义半导体的本征费米能级和EFi费米能级EF之差为ϕfp,以半导体体内为零势能参考点,表面处的电势ϕs称为表面势,它就是体内和表面本征费米能级的差值,那么耗尽区宽度可以写为
当ϕs=2ϕfp时,表面处的电子浓度等于体内空穴浓度,这种情况称为阈值反型点,此时外加的电压称为阈值电压。如果外加电压大于阈值电压,表面处导带会轻微地向费米能级弯曲,电子数量继续增加,但耗尽区宽度将不会发生变化,因为此时反型层可以产生足够多的负电荷,不需要扩展耗尽区。
类似金半接触,功函数的差异会导致电荷转移产生电场和电势差,这个电势差会降落在氧化层和半导体内,
平带电压的定义为当半导体内没有能带弯曲时所加的栅压,此时表面势为零,净空间电荷为零,但由于功函数差和氧化层内可能存在的陷阱电荷,此时穿过氧化物的电压不一定为零。
假设氧化物中陷阱电荷量为Qss′,单位面积的栅氧化层电容为Cox,则平带时穿过氧化物的电压为
要想使表面势为零,需要产生一个能抵消功函数差和氧化物陷阱电荷的电压(注意实际功函数差和氧化层电荷的正负号)
这个电压就叫平带电压(也可以认为是零偏时的表面电势)。
阈值电压定义为达到阈值反型点时所加的栅压。在刚反型时,耗尽层空间电荷值达到最大值
先暂时不考虑功函数差和氧化层电荷的影响,从理想MOS结构来看,此时阈值电压就等于氧化层电压和表面电势之和
考虑功函数差和氧化层电荷的影响,加上平带电压即可
堆积模式下,MOS电容的单位面积电容就是栅氧化层电容,为定值
耗尽模式下,MOS电容为栅氧化层和耗尽层电容串联
总电容随耗尽区宽度增大而减小,当达到阈值反型点时,耗尽区宽度达到最大,此时总电容最小。
反型情况下,如果反型层电荷能跟上电容电压的变化(低频),则总电容就是栅氧化层电容(公式同积累模式)
如果反型层电荷跟不上电容电压的变化(高频),则总电容就是阈值反型时的最小电容。
不同的氧化层电荷会导致C-V曲线的平移(只影响平带电压),可以用来确定氧化层电荷。
界面态存在时,C-V曲线形状将会发生变化,因为界面态中的电荷数量会随着外加电压变化而变化。
堆积/耗尽/反型的电子/空穴来源是哪里?
在达到阈值电压前,氧化层压降和半导体表面电势之间是如何分配的。
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