半导体表面特性及MOS电容
半导体器件之MOS
P型衬底
栅电压=阈值电压 表面空间电荷区 厚度达到最大值
12
MOS电容 空间电荷区厚度:n型衬底情形
阈值反型点条件： 表面势=费米势的2倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，栅电压=阈值电压
表面势
表面空间电荷 区厚度
n型衬底
13
MOS电容 空间电荷区厚度:与掺杂浓度的关系
实际器件 参数区间
14
MOS电容 表面反型层电子浓度与表面势的关系
零栅压下半导体的 表面势
接触之后能带图的变化：
1）MOS成为统一系统， 0栅压下热平衡状态有统一的EF。
2）SiO2的能带倾斜：
3）半导体一侧能带弯曲：
18
11.1 MOS电容
功函数差:计算公式
内建电势差：
功函数差
Vbi Vox0 S 0 ms
ms
m
' (
'
Eg 2e
加负栅压，堆积层电荷能够跟得上栅 压的变化，相当于栅介质平板电容
C' (acc)
Cox
ox
tox
平带
本征
36
11.2 C-V特性
平带状态
所加负栅压正好等于平带电压VFB，使 半导体表面能带无弯曲
C'FB
tox
ox ox kT
tox e
s
eN a
平带 本征
37
11.2 C-V特性
表面势 s 半导体表面电势与 体内电势之差
费米势
半导体体内费米能 级与禁带中心能级 之差的电势表示
P型衬底
表面空间电 荷区厚度
采用单边突变结的 耗尽层近似
耗尽层形成：正栅压，P衬表面多子空穴耗尽，留下固定不动的Na-，由半导体浓度
mos器件电容
mos器件电容MOS器件（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是一种常见的半导体器件，被广泛应用于集成电路和电子设备中。
它是由金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和电容器（Capacitor）组成的。
其中，电容在MOS器件中起着重要的作用。
我们来了解一下电容的概念。
电容是一种储存电荷的器件，它由两个导体之间的绝缘层（通常是氧化物）隔开。
当电压施加在电容上时，正电荷会在一个导体上积聚，而负电荷则在另一个导体上积聚，形成电场。
电容的大小取决于导体之间的距离和绝缘层的介电常数。
在MOS器件中，电容起到了多种重要的作用。
首先，电容可以用作存储器件。
在动态随机存储器（DRAM）中，每个存储单元都由一个MOS器件和一个电容器组成。
当电压施加在电容上时，电容会储存电荷，代表着存储单元的状态。
这样一来，DRAM能够实现高密度的存储，成为了计算机内存的主要组成部分。
电容还可以用作信号耦合器。
在集成电路中，不同的功能模块之间需要传递信号。
为了保证信号的准确传输，常常使用电容来实现耦合。
通过将信号输入到电容上，然后再从电容输出，可以实现信号的隔离和传递，避免不同模块之间的相互干扰。
电容还可以用作滤波器。
在电子设备中，经常需要对电源信号进行滤波，以去除噪声和干扰。
通过将电容与电感器等元件相结合，可以实现对特定频率范围内的信号进行滤波。
这种滤波器常用于音频放大器和电源管理电路中，能够提高系统的性能和稳定性。
电容还可以用于产生时钟信号。
在数字电路中，时钟信号是非常重要的，它同步了各个模块的操作。
通过使用RC电路，可以将电容充放电的过程与RC时间常数相结合，实现稳定的时钟信号生成。
这种方法常用于微控制器和数字信号处理器中，确保系统的同步和可靠性。
在MOS器件中，电容的选择和设计是至关重要的。
首先，电容的介电常数决定了其存储电荷的能力，需要根据具体的应用需求来选择合适的材料和结构。
mos做电容
mos做电容
摘要：
1.电容的定义与作用
2.mos电容的制作方法
3.mos电容的特性与应用
正文：
电容是一种电子元件，主要用于储存电能和调节电压。
在电子设备中，电容扮演着至关重要的角色，它们可以过滤噪声、稳定电压、储存电能等。
其中，mos电容是一种特殊的电容，具有高稳定性、低失真和高频率响应等特性，被广泛应用于音频放大器、滤波器、振荡器等领域。
mos电容的制作方法是利用金属氧化物半导体(MOS)技术，在半导体基板上形成一层极薄的氧化物层，作为电容介质。
这种氧化物层具有很高的介电常数，可以储存更多的电荷，从而提高电容的容量。
此外，MOS电容还具有较低的漏电流和较低的驱动电压等优点，使其成为高性能电子设备的关键元件。
在实际应用中，mos电容的特性主要表现在其优异的频率响应和低失真度。
由于mos电容的高介电常数，它可以储存更多的电能，从而在高频率信号传输时，能够提供更低的失真度和更高的信号传输效率。
此外，mos电容还具有较低的噪声和较小的体积，使其成为音频放大器、滤波器和振荡器等电子设备的理想选择。
总之，mos电容作为一种特殊的电容，凭借其优异的频率响应、低失真度和高稳定性等特性，在电子设备中发挥着重要作用。
半导体表面特性及MOS电容共64页文档
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪Leabharlann 30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
半导体表面特性及MOS电容64页PPT
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 —笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
半导体表面特性及MOS电容
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
半导体物理学第八章知识点
第8章 半导体表面与MIS 结构许多半导体器件的特性都和半导体的表面性质有着密切关系，例如，晶体管和集成电路的工作参数及其稳定性在很大程度上受半导体表面状态的影响；而MOS 器件、电荷耦合器件和表面发光器件等，本就是利用半导体表面效应制成的。
因此．研究半导体表面现象，发展相关理论，对于改善器件性能，提高器件稳定性，以及开发新型器件等都有着十分重要的意义。
§8.1 半导体表面与表面态在第2章中曾指出，由于晶格不完整而使势场的周期性受到破坏时，禁带中将产生附加能级。
达姆在1932年首先提出：晶体自由表面的存在使其周期场中断，也会在禁带中引入附加能级。
实际晶体的表面原子排列往往与体内不同，而且还存在微氧化膜或附着有其他分子和原子，这使表面情况变得更加复杂。
因此这里先就理想情形，即晶体表面无缺陷和附着物的情形进行讨论。
一、理想一维晶体表面模型及其解达姆采用图8-l 所示的半无限克龙尼克—潘纳模型描述具有单一表面的一维晶体。
图中x ＝0处为晶体表面；x ≥0的区域为晶体内部，其势场以a 为周期随x 变化；x ≤0的区域表示晶体之外，其中的势能V 0为一常数。
在此半无限周期场中，电子波函数满足的薛定谔方程为)0(20202≤=+-x E V dx d m φφφη (8-1))0()(2202≥=+-x E x V dx d m φφφη (8-2)式中V (x)为周期场势能函数，满足V (x +a )=V(x )。
对能量E ＜V 0的电子，求解方程(8-1)得出这些电子在x ≤0区域的波函数为 ])(2ex p[)(001x E V m A x η-=φ (8-3) 求解方程(8-2)，得出这些电子在x ≥0区域中波函数的一般解为kx i k kx i k e x u A e x u A x ππφ22212)()()(--+= (8-4)当k 取实数时，式中A 1和A 2可以同时不为零，即方程(8-2)满足边界条件φ1(0)=φ2(0)和φ1'(0)=φ2'(0)的解也就是一维无限周期势场的解，这些解所描述的就是电子在导带和价带中的允许状态。
半导体器件物理-7
第7章
半导体表面特性及MOS电容
7.1 半导体表面和界面结构 7.2 表面势 7.3 MOS结构的电容—电压特性 7.4 MOS结构的阈值电压 7.5 习题
电子科技大学成都学院
第七章 半导体表面特性及MOS电容
● —— 本章重点
硅-二氧化硅界面中存在的 不利因素和消除措施
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第七章 半导体表面特性及MOS电容
作业
• P127 2，3，4，5
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第七章 半导体表面特性及MOS电容
补充基本概念
真空能级：电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量
功函数[1]：从费米能级到真空能级的能量差
电子亲和势[2]：从半导体表面的导带到真空能级的能量差
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第七章 半导体表面特性及MOS电容
为了防止和去掉钠离子沾污的影响，除了严格执行 工艺规定防止离子沾污外，提高制备材料（如化学试剂、 气体等）的纯度，改进工艺装备和方法，是获得稳定的 MOS器件的重要手段。目前有两种工艺被广泛应用：磷 稳定化和氯中性化。
磷稳定化即二氧化硅外部形成磷硅玻璃，扩散中可动 钠离子总是进入氧化层中的富磷区，一旦离子被陷在磷 硅玻璃中，即使回到室温，它仍会保持被陷状态，保证 二氧化硅内碱金属离子最小状态。
表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准 连续。
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第七章 半导体表面特性及MOS电容 表面能级密度
单位面积所具有的表面态的数目。cm-2 表面费米能级 (EF)S
载流子填充表面能级的状态。 电子填充带负电； 空穴填充带正电。
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第七章 半导体表面特性及MOS电容 内表面
chapt7-MOS电容-清华大学半导体物理
MOSFET是现代数字集成电路的核心器件。
MOSFET剖面图•MOSFET与半导体表面及半导体-绝缘层界面性质密切相关。
•MOSFET的核心部分是MOS(MIS)结构。
2半导体表面以及半导体－绝缘层界面性质；表面电场效应（是MOSFEF工作的基础）；MOS结构C-V特性。
4由于晶格周期性在表面处中断而出现的局（定）域于表面附近的电子态——表面态禁带中的电子态数等于表面原子数，表面原子面密度∼1015/cm 2，所以表面能级准连续地分布在禁带中。
总之，表面态起因于周期场在表面处中断；空间上定域于晶体表面；能级位于禁带中。
7.1.1 表面态§7.1 半导体表面和Si －SiO 2界面界面性质。
量级；离子。
界面态起源于界面处的。
界面态和表面态性质相似：位于Si-SiO101214151617达到最大且基本不变;19变化引起数量很大的2122V。
FB2324包括两部分：；V不很大s很小。
27对交流小信号ΔVQ n完全跟上ΔV g变化。
32scC-V是非平衡的瞬态特性333435若栅压V g 为一由V 1（积累）到V 2（强反型)的阶跃电压，则V =V 2下电容随时间的变化曲线称为MOS 电容的C -t 特性。
由MOS 电容的C -t 特性可求耗尽层少子寿命τ和表面复合速度S 。
，取“−”号，取“+”号i FB归一化平带电容与氧化层厚度及衬底掺杂浓度的关系。
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半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容
硅-二氧化硅界 面，二氧化硅层中， 存在一些严重影响 器件性能的因素， 主要是氧化层中可 动离子，固定氧化 层电荷，界面陷阱， 以及辐射、高温高 负偏置应力会引起 附加氧化层电荷的 增加等。
半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容 可动离子
半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容 界面陷阱（界面态）
界面陷阱一般分布于整个禁带范围内，有的甚至 可以高于导带底（EC）和低于价带顶（EV）。 界面陷阱可以是施主型的，也可以是受主型的。 产生界面陷阱主要由于半导体表面的不完全化学 键或所谓“悬挂键”引起的。界面价键在形成氧化层 时，没有被饱和而悬挂着，就会变成界面陷阱。
半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容 固定正电荷
实验表明硅-二氧化硅界面附件的二氧化硅一侧内存在一些固 定正电荷，它们大致分布在近界面100Å的范围内。对半导体表面 的电性质有重要的影响。其特点可总结分析如下： （1）固定电荷与氧化层厚度、半导体掺杂浓度、掺杂类型无关； （2）固定电荷受不同晶向影响而变化，其密度（111）表面最大， （100）表面最小，两者比例大约为3：1； （3）固定电荷密度与氧化条件（如氧化气氛、炉温）紧密相关， 温度上升固定电荷密度则近似线性下降。值得注意，当氧化过程 中经过不同温度条件生长氧化层，其固定电荷由最终温度决定； （4）氧化过硅片在氩气或氮气气氛中退火（加热）足够长的时间， 不管其生长氧化层温度高还是低，总可以获得最小固定电荷密度 值。
半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容
先生长的氧化层却是留在外表面，而后生长的氧化层则是留在与 硅接触的内表面，即界面处，这也就是界面处固定电荷为什么由最终 氧化温度决定的道理（氧化温度越低，固定正电荷密度越大）。减少 固定电荷的标准工艺，即在惰性气体中退火，图中可见它的QF（单位 栅面积固定电荷）值最小。
单位面积所具有的表面态的数目。cm-2 表面费米能级 (EF)S 载流子填充表面能级的状态。 电子填充带负电； 空穴填充带正电。
半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容 内表面 真实表面存在天然氧化层，
半导体与天然氧化层的交界面；
内表面能级密度比原子密度小好几个数量级。 外表面 天然氧化层与外界接触的交界面。
在人工生长的二氧化硅层中存在着一些可移动 的正电荷，它们主要是沾污氧化层的一些离子。刚 沾污时，这些正离子都在氧化层的外表面上。在电 场及温度的作用下，它们会漂移到靠近硅-二氧化硅 界面处，在硅的表面处感应出负电荷，对器件的稳 定性有很大的影响。其中最主要的是钠离子（Na+）， 它在二氧化硅中进行漂移的激活能很低，因此危害 很大。
半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容 理想表面（清洁表面）
Байду номын сангаас
原子完全有规则排列所终止的一个平面。 表面排列整齐的硅原子与体内的硅原子形 成共价键，但由于表面价键处于所谓“悬挂键” 的空置状态，其状态极其不稳定，表面很容易 吸附一些其他原子例如空气中的氧原子而形成 氧化层。
半导体器件物理
半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容
为了防止和去掉钠离子沾污的影响，除了严格执行 工艺规定防止离子沾污外，提高制备材料（如化学试剂、 气体等）的纯度，改进工艺装备和方法，是获得稳定的 MOS器件的重要手段。目前有两种工艺被广泛应用：磷 稳定化和氯中性化。 磷稳定化即二氧化硅外部形成磷硅玻璃，扩散中可动 钠离子总是进入氧化层中的富磷区，一旦离子被陷在磷 硅玻璃中，即使回到室温，它仍会保持被陷状态，保证 二氧化硅内碱金属离子最小状态。 氯中性化在即生长二氧化硅层时，将少量氯化合物 一起反应生成一种新的材料，它是位于氧化层-硅界面的 氯硅氧烷，当钠离子迁移到氧化层-硅界面时会被陷住中 和，实现稳定化。
半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容
● —— 本章重点
硅-二氧化硅界面中存在的 不利因素和消除措施
MOS结构中C-V曲线揭示了
氧化层等器件质量性能 阈值电压表征半导体表面反型状态， 它是MOS器件的基础
半导体器件物理
7.1 半导体表面和界面结构
第七章 半导体表面特性及MOS电容
半导体器件的特性与半导体表面特征性质有 特别重要的联系。在超、特大集成电路迅速发展 的今天，半导体器件的制造相当多是在很薄的一 层表面内完成的（几个微米甚至更小），因而， 如何有效控制和完善半导体的表面质量，从而进 一步利用半导体表面效应，可用来制造例如MOS （金属-氧化物-半导体）器件、CCD（电荷耦合器 件）、LED（发光二极管）、LCD（液晶显示）、 半导体激光等表面发光器件，以及太阳能电池等 表面感应器件。
第七章 半导体表面特性及MOS电容 真实表面
用物理或化学方法形成的半导体表面，暴 露在空气中，存在氧化层或吸附其他原子。 表面存在“悬挂键”，对电子有受主的性 质，存在一些可以容纳电子的能量状态，称为 “表面能级”或“表面态”。 表面能级在禁带中靠近价带顶的位置，准 连续。
半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容 表面能级密度
半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容 快态能级
在毫秒甚至更短的时间内完成与体内交换电子。（内表面）
慢态能级 需较长时间完成与体内交换电子。（外表面）
半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容 Si-SiO2界面的结构
利用热生长或化学汽相淀积人工生长的SiO2可 有厚达几千埃（10-10m），外表面能级几乎无法与 体内交换电子， Si-SiO2界面有别于理想表面和真 实表面，慢态能级和外界气氛对半导体内的影响 很小。 SiO2常用作MOS结构中的绝缘介质层，器件 有源区之间场氧化隔离，选择掺杂的掩蔽膜，钝 化保护膜等。
半导体器件物理
第七章 半导体表面特性及MOS电容
（1）界面陷阱密度在（111）表面最大，在（100）表 面最小，禁带中央其界面态比例大约为3：1；
（2）界面陷阱在干氧气氛中氧化后，其密度较高，禁 带中央为1011~1012/cm2· eV，氧化温度越高，界面态密度 越大； （3）在较低温度（≤500℃）含氢气气氛中退火可以 减小界面态密度，禁带中央为≤1010/cm2· eV，但是在惰 性气氛高温（≥600℃）下退火却不能降低； （4）界面陷阱密度在禁带中央的区域基本不变，在靠 近价带顶和导带底边缘增长很快。且数目相等、电性相 反，即导带下应该是施主型界面态，价带上应该是受主 型界面态。