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关于MOS平带电压详细分析-KIA 98858vip威尼斯

信息来源:本站 日期:2021-10-09 

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关于MOS平带电压详细分析-KIA 98858vip威尼斯


平带电压

平带电压(Flat band voltage)就是在MOS系统中,使半导体表面能带拉平(呈平带状态)所需要外加的电压。


平带状态一般是指理想MOS系统中各个区域的能带都是拉平的一种状态。


对于实际的MOS系统,由于金属-半导体功函数差φms和Si-SiO2系统中电荷Qf 的影响, 在外加栅极电压为0 时,半导体表面的能带即发生了弯曲,从而这时需要另外再加上一定的电压才能使能带拉平,这个额外所加的电压就称为平带电压。


平带电压计算

平带电压可分为两部分相加,Vfb=Vfb1+Vfb2,Vfb1用来抵消功函数差的影响,Vfb2用来消除氧化层及界面电荷的影响。


1)Vfb1

Vfb1=φms=φg-φf

对于多晶硅栅,高掺杂的情况下,φg≈0.56V,+用于p型栅,-用于n型栅。

φf是相对于本征费米能级的费米势。


2)Vfb2

以固定的有效界面电荷Q0来等效所有各类电荷作用,Vfb2=-Q0/Cox。

Cox为单位面积氧化层电容,可用ε0/dox求得。

总结起来,Vfb=φg-φf-Q0/Cox。


MOS的阈值电压是指使半导体表面产生反型层(即沟道)时所需要外加的栅极电压。


如果存在平带电压,栅压超过平带电压的有效电压使得半导体表面出现空间电荷层(耗尽层),然后再进一步产生反型层;故总的阈值电压中需要增加一个平带电压部分。


由于平带电压中包含有Si-SiO2系统中电荷Qf 的影响,而这些电荷与工艺因素关系很大,故在制作工艺过程中需要特别注意Na离子等的沾污,以便于控制或者获得预期的阈值电压。


平带电压测定

对于体相的半导体材料而言,我们可以通过Mott-Schottly公式推算,进行简化戳通过作图大体上计算出其平带电位,但是对于纳米级别的半导体材料则主要是通过仪器的直接测定。


电化学方法:在三电极体系下,使用入射光激发半导体电极,并改变电极上的电势。当施加的电位比平带电位偏负的时候,光生电子不能够进入外电路,也就是说不会产生光电流。


相反,当施加的电位比平带电位偏正的时候,光生电子则能偶进入外电路,进而产生光电流。所以开始产生光电流的电势即为该纳米半导体的平带电位。


光谱电化学方法:该方法同样是在三电极体系下,对半导体纳米晶施加不同的电位,测量其在固定波长下吸光度的变化。基本的原理与电化学方法大体相同。


当电极电位比平带电位正时,吸光度不发生变化;偏负时则急剧上升。因为,吸光度开始急剧上升的电位即为纳米半导体的平带电位。


MOS平带电压

M、O、S三者接触前,本来半导体带是平的,接触以后不平了。想知道平带电压是什么,要先搞清楚使得能带由平变弯的因素是什么。之后加一个等效的栅压,把能带再一次给掰回去、掰平,这个电压就是平带电压。


M、O、S三者接触前,氧化层两端电势相等,也就是Vox=0;半导体能带不弯曲,也就是Φs=0。


但是,MOS一接触,Vox和Φs都不等于零了,这其实是两大类机理共同作用产生:


1.金属跟半导体功函数的差,分配在了Vox和Φs上。


2.绝缘层电荷+界面态电荷所形成的电场,产生了Vox和Φs。


对于绝缘层电荷,还包括a)氧化不完全产生的近OS界面处的固定正电荷。b)自由金属杂质正电荷。3)高能电子撞击等因素产生的整个氧化层内的缺陷电荷。


如果仅有因素1,即MOS是无缺陷电荷的,那么很好理解,加一个大小等于金属半导体的功函数差的栅压,能带就又平了。不仅如此,分配给Vox的势差也一样没有了。


如果仅有因素2,即金属跟半导体的功函数相等。那么,想要半导体能带平,需要半导体处无电场,也即栅极提供与缺陷态电荷等量反号的电荷。但这时候,绝缘层内仍有电场,因此Vox仍不为零。


对于第二类情况的平带电压计算,Vfb=Q[四类缺陷电荷]/C[与栅与缺陷点的距离成反比]。对于绝缘层内不同位置的缺陷电荷,它对栅极电压的影响不同(Vfb=Ex[有效])。


因此,对所有电荷,只需要表示出横向上的总电荷密度,(x*电荷密度*dx)在整个绝缘层区域内积分,即可得平带电压。


如果MOS同时具有因素1和因素2,那只需要将上述两类机理产生的平带电压加和,即可得平带电压。



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