第六章金氧半二极体、电晶体及其电性讨论1

6.2 MOS的基本原理
基本的 MOSFET結構
源極
閘極
汲極
L：通道長度 Z：通道寬度 d：氧化層厚度 rj ：接面深度
加適當的閘極電壓使 得閘極下方產生反轉 層，形成通道，連接 源極與汲極區。源極 為載子的來源，經過 通道流向汲極。 當基板為p型時，載子 為電子，故電流由汲 極流向源極；當基板 為n型時，載子為電洞， 故電流由源極流向汲 極。
理想MOS曲線（C-V圖）（低頻）
故MOS的單位面積電容只是氧化層電容：
C'(in)vCoxdox
剛剛反轉之點，反轉電子為零，空乏區寬度 達最大值。
理想MOS曲線（C-V圖）（高頻）
高頻下的反轉情形，屬於少數載子的反轉電子無法及時反應， 空乏區的寬度也無太明顯的變化，所以電容不會增加，維持在 最低值。
產生原因：
起因於Si-SiO2介面的不連續性及介面上 的未飽和鍵。通常Qit的大小與Hale Waihona Puke 面化學成 分有關。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（即 (100)晶片）。
~固定氧化層電荷Qf~ (fixed oxide charge)
6.1.3 電荷耦合元件（CCD）
由一連串MOS二極體陣列構 成，可做信號處理及影像感 測。
Figure 6.13. Cross section of a three-phase charge-coupled device.4 (a) High voltage on ø2. (b) ø3 pulsed to a higher voltage for charge transfer.
V o xs ( V o 0 xs 0 ) V o xs ms
即ms
氧化層電荷：
可區分為四種電荷: 1.介面捕獲電荷(Qit) 3.氧化層陷住電荷(Qot)
2.固定氧化物電荷(Qf) 4.可動離子電荷(Qm)
~介面陷住電荷Qit~ (interface trapped charge)
Chapter 6 金氧半場效電晶體及相關元
金氧半二極體、電晶體 及其電性討論
MOSFET
為一四端元件，。 由一個MOS二極體與兩個相鄰的pn接面所構成。 為積體電路中最重要的電路元件，因為比起相同
功能的BJT（雙極性電晶體）： 面積小，可增加積體電路密度。 製程步驟較少，製造成本較低。 製成CMOS (NMOS + PMOS)，功率消耗更低。
C'
(d
ep)l
Co' xC'j Co' xC'j
V越大，空乏區寬
度 越 大 ， Cj 越 小 ， C’(depl)越小
空乏情形下之CV圖
C'
(d
ep)l
Co' xC'j Co' xC'j
其中：
Co
ox
d
C
j
s W
由式(9)、(13) 、(14) 、(15)，消去W可得：
C
Co
1
1
2 ox2V qN A sd
改善方法：
藉由在矽氧化製成進行時，於反應氣體進 行時加入適量HCl，其中的Cl離子會中和 SiO2層內的鹼金屬離子。
平帶電壓VFB（續）
當VG = VFB時，s = 0，故可得：VGVFBVox（假設無功函數差）
氧化層所跨電位可以下分析得知：
平衡狀態
Vox
平帶狀態
平帶狀態下，假設氧化層電荷QO存在與半導體之界面處（即x0 = d），則可得：
聚積狀態與空乏狀態之
間：
CF' B
o x
toxosx kqTqNsa
由平帶電壓公式可知：
(Qo包括Qf、 Qot 、 Qm)
VFB
ms
Qo Cox
Qo為正時，平帶電壓會比ms小 Qo為負時，平帶電壓會比ms大
氧化層電荷對CV圖的影響（續）
由平帶電壓的分析可知，當氧化層電荷為正時，CV圖會 往左平移，且電荷越多，平移量越多；當氧化層電荷為負 時，CV圖會往右平移。
理想MOS曲線（C-V圖）(n型半導體)
6.1.2 SiO2-Si MOS 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
體之功函數差qms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體區之能帶圖有彎曲， 不為平帶情形(flat-band condition )。
其中qB:為費米能階EF和本質費米能階Ei的能量差 qχ:半導體電子親和力
換句話說，當無外加偏壓，能帶是平的（稱為平帶狀態 flat band condition)。
理想的MOS二極體能帶圖
閘極無偏壓時(V=0)的p-type半導體MOS二極體的能帶圖
理想的MOS二極體定義（續）
於任意偏壓下，二極體裡 的電荷只有半導體電荷和 靠近氧化層的金屬表面電 荷兩種，二者的電量相同 但極性相反。
於表面形成電洞堆積
非平衡狀態下之能帶圖（p型）（續）
V > 0，因電洞遠離表面，故形成空乏區。
EF更遠離Ev，故電洞減少，剩下固定的受體離子 V越大，W越大。
非平衡狀態下之能帶圖（p型）（續）
V >> 0時，EF遠離Ev且EF已超過Ei，此種情形為n型之能帶， 故p型半導體表面之載子變為電子，稱為反轉。
6.2.1 基本特性
VG < VT，源極到汲極間好 似二個背對背的pn接面， 加一汲極電壓，只有微弱 的逆向漏電流。
VG > VT，半導體表面產生 反轉電子，只要加一點汲
極電壓，可使電子由源極
流向汲極，產生通道電流
很小
ID。
能帶圖彎曲使EF與Ei的差改變，形成以下之情形： 聚積(accumulation): V < 0 空乏(depletion): V > 0 反轉(inversion): V > 0
非平衡狀態下之能帶圖（p型）
V < 0，因於表面形成電洞堆積，故稱accumulation
電洞受電場影響上移 EF更靠近Ev，故電洞大增
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，有懸鍵產生，在禁制能帶會形成界面 態階。
電荷可在半導體與界面態階之間流動，隨著偏壓之改變， 界面態階與費米能階的相關位置不同，界面的淨電荷也 會改變。
一般而言，在EFi上方的稱為受體態階， 在EFi下方的稱為施體體態階。
在DC偏壓下，沒有載子流 過氧化層，即氧化層的電 阻是無限大。
綜合以上所述，可知理想 的MOS二極體相當於一個 平行板電容器的特性
非平衡狀態下之能帶圖（p型）
當偏壓不為零時，能帶圖兩側因下拉、上移會彎
曲。 半導體的載子密度和能量差呈指數關係,如下式
p ne
E E ( )/kT iF
p
i
偏壓轉為正，當EF正好等於EFi 時，受體態階都在費米能階之 上，故為中性；施體態階都在 費米能階之上，故也為中性。 即偏壓由負轉正時，正好有一 個狀態（中間能隙），界面淨 電荷為零。
界面電荷對CV圖的影響（續）
以p型半導體為例：
反轉狀態下（偏壓為更 正），施體態階都在費米 能階之下，故為中性；但 部分受體態階在費米能階 之下，故為帶負電。 即反轉狀態下，界面淨電 荷為負。
故MOS的單位面積電容只是氧化層電容：
C'(a c)cCoxdox ……..為定值
理想MOS曲線（C-V圖）
空乏情形下，正偏壓加的越多，半導體空乏區寬度增加，同時 金屬層表面感應之正電荷也增加。電壓跨在氧化層與空乏區上。
故相當於氧化層電容與半導體的接面電容串聯起來：
C'(d1ep)lC1ox' C1j'
6.1 MOS二極體
為MOSFET的核心部分：由上往下之材料分別為金屬、 氧化層及半導體。
氧化層的厚度
通常Si底材是接地的，故金屬對於歐姆接面為 正偏壓時，V為正；反之，V為負。
6.1.1 The Ideal MOS Diode
理想的MOS二極體定義：
在沒有外加偏壓時（即熱平衡狀態），金屬功函數qm和 半導體功函數qs的能量差為零，即功函數差qms等於零。
非平衡狀態下之能帶圖（n型）
V << 0時，EF遠離Ec且EF已超過Ei， 此種情形為p型之能帶，故n型半導 體表面之載子變為電洞。
非平衡狀態下之能帶圖（p型）
Ψs〈0：電洞聚積 Ψs＝0：平帶狀況 ΨB〉Ψs〉0：電洞空乏 Ψs = ΨB：ns = np = ni Ψs〉ΨB：反轉 Ψs〉2ΨB：強反轉
產生原因： 當氧化停止時，一些離子化的矽就留在介
面處（約30Å處）。這些離子及矽表面上的 不完全矽鍵結產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調整，或是回火 (Annealing)來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~ (oxide trapped charge)
FB
Qo d Qo C0 d Co
平帶電壓VFB（續）
若氧化層中之電荷為任意分佈（一般情形），平帶電壓 可表示為：
VFBC 1o d1 0dx(x)dx
再考慮功函數差，並忽略界面陷阱電荷，平帶電壓會變
為：
VFB m s Qf Q Cm oQot
氧化層電荷對CV圖的影響
其中平帶電壓狀態介於
產生原因：
主要是因為MOS操作時所產生的電子電洞 被氧化層內的雜質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。