雪体帮理学黄尾第七章半辱体电子论20050406 §77金属一绝缘体一半导体和MOS反型层 MS体系:金属一绝缘体一半导体 Metal Insulator Semiconductor MOS体系:金属一氧化物一半导体 Metal Oxide semiconductor XCH007015 是MS结构的一种特殊形式 Metal MOS有着许多主要的应用 Insulator Semiconductor 1)绝缘栅场效应管:存储信息 2)集成电路:计算机RAM 3)电荷耦合器件:CCD——存储信号、转换信号 MS体系的机理 如图XCH007015所示,金属层一一栅极,半导体接地,两者之间为氧化物(SO2~100nm)。以P型 半导体为例进行讨论 K0 XCH0O7-015_02 Metal M Metal Insulator Insulator ++++++++++++++++ Semiconductor Semiconducto 在栅极施加电压为负时,半导体中的空穴被吸收到半导体表面,并在表面处形成带正电荷的空穴积 累层。如图XCH00701501所示。 在栅极施加电压为正时,半导体中的多数载流子一一空穴被排斥离开半导体表面,而少数载流子 电离的受主电子则被吸收表面处。如图XCH00701502所示 当电压较小时,表现为空穴被排斥而在表面处形成负电荷的耗尽层,带负电的电子为屏蔽栅极 正电压,耗尽层具有一定的厚度d~微米量级一—称为空间电荷区 如图XCH00701601所示。空间电荷区存在电场,使该区域电子的能带发生弯曲,对空穴来说形成 一个势垒。 REVISED TIME: 0S-5-2 CREATED BY XCH
固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406 §7.7 金属－绝缘体－半导体和 MOS 反型层 MIS 体系：金属－绝缘体－半导体 —— Metal Insulator Semiconductor MOS 体系：金属－氧化物－半导体 —— Metal Oxide Semiconductor —— 是 MIS 结构的一种特殊形式 MOS 有着许多主要的应用 1） 绝缘栅场效应管：存储信息 2） 集成电路：计算机 RAM 3） 电荷耦合器件：CCD —— 存储信号、转换信号 MIS 体系的机理 如图XCH007_015 所示，金属层——栅极，半导体接地，两者之间为氧化物（SiO2~100nm）。以P型 半导体为例进行讨论。 在栅极施加电压为负时，半导体中的空穴被吸收到半导体表面，并在表面处形成带正电荷的空穴积 累层。如图 XCH007_015_01 所示。 在栅极施加电压为正时，半导体中的多数载流子——空穴被排斥离开半导体表面，而少数载流子— —电离的受主电子则被吸收表面处。如图 XCH007_015_02 所示。 —— 当电压较小时，表现为空穴被排斥而在表面处形成负电荷的耗尽层，带负电的电子为屏蔽栅极 正电压，耗尽层具有一定的厚度 d ~微米量级 —— 称为空间电荷区。 如图 XCH007_016_01 所示。空间电荷区存在电场，使该区域电子的能带发生弯曲，对空穴来说形成 一个势垒。 REVISED TIME: 05-5-23 - 1 - CREATED BY XCH
雪体物理学黄尾第七章半辱体电予论20050406 XCH00701601 E=0 EF Ei XCH07016 半导体表面 =0相对于体内x>d的电势差称为表面势:V。如图XCH00701602所示。 当栅极正电压增大时,表面势进一步增大,如图XCH007017所示。当表面势足够大时,有可能使 表面处的费密能级进入带隙的上半部,此时空间电荷区电子的浓度将要超过空穴的浓度,从而形成 电子导电层。如图XCH00701503所示 空间电荷区的载流子主要为电子,半导体内部的载流子为空穴,因此将该层称为反型层 形成反型层时的能带如图XCH007017所示。E是半导体的本征费密能级(或体内费密能级),EF 是表面处的费密能级。当EF在E之上时,电子的浓度大于空穴的浓度,两者相等时,电子和空穴 的浓度相等,当EF在E之下时,电子的浓度小于空穴的浓度。 >0 XCHo0701503 Insulate a E 于天 EE XCH007017 形成反型层的条件 费密能级EF从体内E之下变成表面时,即在E之上,两者之差qV满足:qvF=E;-EF 一般形成反型层的条件:qV≥2qVp=2(E1-E)-—此时表面处电子的浓度增加到等于或超过 体内空穴的浓度。 N沟道的形成 反型层中的电子,一边是绝缘层——导带比半导体高出许多,另一边则是空间电荷区电场形成的势 REVISED TIME: 0S-5-2 CREATED BY XCH
固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406 半导体表面 —— x = 0相对于体内 x > d 的电势差称为表面势：VS 。如图 XCH007_016_02 所示。 当栅极正电压增大时，表面势进一步增大，如图 XCH007_017 所示。当表面势足够大时，有可能使 表面处的费密能级进入带隙的上半部，此时空间电荷区电子的浓度将要超过空穴的浓度，从而形成 电子导电层。如图 XCH007_015_03 所示 空间电荷区的载流子主要为电子，半导体内部的载流子为空穴，因此将该层称为反型层。 形成反型层时的能带如图 XCH007_017 所示。 是半导体的本征费密能级（或体内费密能级）， 是表面处的费密能级。当 在 之上时，电子的浓度大于空穴的浓度，两者相等时，电子和空穴 的浓度相等，当 在 之下时，电子的浓度小于空穴的浓度。 Ei EF EF Ei EF Ei 形成反型层的条件 费密能级 EF 从体内 Ei 之下变成表面时，即在 Ei 之上，两者之差 qVF 满足： qVF = Ei − EF 一般形成反型层的条件： 2 2( ) qVi ≥ qVF = Ei − EF ——此时表面处电子的浓度增加到等于或超过 体内空穴的浓度。 N 沟道的形成 反型层中的电子，一边是绝缘层—— 导带比半导体高出许多，另一边则是空间电荷区电场形成的势 REVISED TIME: 05-5-23 - 2 - CREATED BY XCH
雪体物理学黄尾第七章半辱体电予论20050406 垒,电子实际上被限制在表面附近能量最低的一个狭窄的区域,有时将反型层称为沟道。 P型半导体的表面反型层是电子构成的,称为N沟道。 NN沟道晶体管 如图XCH00701802所示,在P型衬底的MOS体系中 增加网个N型扩散区一一源区S和漏区D.,构成N沟Do 道晶体管。 1)一般情况下(栅极正向电压很小),源区S和漏区DG P-Si 被P型区隔开,即使在SD之间施加一定的电压,由于 Substrate SP和DP区构成两个反向PN结一—只有微弱的PN 反向结电流 2)如果栅极电压达到或超过一定的阈值,在P型半导体 XCHo0701802 和氧化物表面处形成反型层一一电子的浓度大于体内空穴的浓度,反型层将源区S和漏区D连接起 来,此时在SD施加一个电压,则会有明显的电流产生。 3)通过控制栅极电压的极性和数值,使MOS晶体管处于导通和截止状态,源区S和漏区D之间的 电流受到栅极电压的调制 集成电路应用。 REVISED TIME: 0S-5-2 CREATED BY XCH
固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406 垒，电子实际上被限制在表面附近能量最低的一个狭窄的区域，有时将反型层称为沟道。 P 型半导体的表面反型层是电子构成的，称为 N 沟道。 N 沟道晶体管 如图 XCH007_018_02 所示，在 P 型衬底的 MOS 体系中 增加两个 N 型扩散区——源区 S 和漏区 D，构成 N 沟 道晶体管。 1) 一般情况下（栅极正向电压很小），源区 S 和漏区 D 被 P 型区隔开，即使在 SD 之间施加一定的电压，由于 SP 和 DP 区构成两个反向 结 —— 只有微弱的 反向结电流。 PN PN 2) 如果栅极电压达到或超过一定的阈值，在 P 型半导体 和氧化物表面处形成反型层——电子的浓度大于体内空穴的浓度，反型层将源区 S 和漏区 D 连接起 来，此时在 SD 施加一个电压，则会有明显的电流产生。 3) 通过控制栅极电压的极性和数值，使 MOS 晶体管处于导通和截止状态，源区 S 和漏区 D 之间的 电流受到栅极电压的调制 —— 集成电路应用。 REVISED TIME: 05-5-23 - 3 - CREATED BY XCH