01-04-Part-2-非理想 MOS 电容

Bo Zhang 2023-04-15 13:44:38
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1. 非理想因素

在实际应用中，我们要考虑两个缺陷因素：

  1. 金属和半导体的功函数不同
  2. 氧化层缺陷

第一点在肖特基结中已经有所提及。金属的功函数小于半导体，故金属的电势大于半导体，二者之差表示为：

第二点主要是由于氧化物中实际是存在各种电荷的。这些电荷受到电场作用也会形成压降。通常氧化物中存在四种电荷，如图 1-1 所示，分别为：

  1. 生产工艺缺陷导致的 SiOx 层中硅原子形成的固定电荷（Fixed Oxide Charge） 。 不随电场移动，故被称为固定电荷
  2. 生产工艺中的污染导致的钠离子和钾离子，它们会随电场移动，故称作可动离子电荷(Mobile Ionic Charge)，用 表示。可动离子电荷可以通过偏温测试（Bias Temperature）测出
  3. 由于生产工艺中的高能射线破坏了氧化物，使其产生了空穴—电子对。这些载流子（通常为空穴，因为空穴的有效质量大于电子）被困在势阱中无法移动，故被称为氧化层陷阱电荷(Oxide Trapped Charge)，用 表示
  4. 界面态导致的类似施主和受主电荷，被称为界面陷阱电荷(Interface Trapped Charge)，用 表示

图 1-1：氧化物中的非理想电荷

令氧化物中的电荷密度为 ，面电荷量为 ，那么根据泊松方程可以写出：

2. 平带和阈值电压

§2.1 平带电压

通过上一章我们可以总结，即使在没有外部电压的条件下，由于功函数和氧化物的缺陷导致半导体表面的能带弯曲，因此平带电压可以表示为：

而所谓平带是指半导体能带不发生弯曲。因此为了把这个弯曲量抵消掉，我们需要施加一个等大反向的平带电压。

§2.2 阈值电压

阈值电压（Threshold Voltage）是 MOS 结构达到强反情况时对应的电压，用 表示；

3. 非理想 C-V 曲线

现在回头再来看理想 C-V 曲线。在 处对应的电压并非为零，而是要向左平移 ，也就是说，缺陷的存在导致理想 C-V 曲线向左平移，如图 3-1 所示：

图 3-1：C-V 曲线：a）理想；b）实际

最后，通过 C-V 曲线可以获得什么信息呢？以 p 型 MOS 结构的高频 C-V 曲线为例，图 3-2 展示了本章提到的重要物理量以及它们的来源和推导。最终我们可以确定氧化层中的固定电荷量以及阈值电压。

图 3-2：MOS 结构物理量总结

01-04-Part-3-总结
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