Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province理想MOS电容器Prof.Prof. GaobinGaobin XuXuMicro Electromechanical System Research Center of Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Engineering and Technology of AnhuiAnhui Province of Province of HefeiHefei University of Technology University of Technology HefeiHefei, , AnhuiAnhui 230009, China 230009, China Tel.: Tel.: E-mail: E-mail: gbxuhfut.edu.cngbxuhfut.edu.cnChap.6 Chap.6 MOSFET MOSFET Lecture Lecture 2424：6.26.2Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceOutline1. 积累区（VG0）4. 反型区（VG0）Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province对于一个理想的MOS系统，当外加偏压VG变化时，金属极板上的电荷QM和半导体表面空间电荷QS都要相应发生变化。说明，MOS系统有一定的电容效应，所以把它叫做MOS电容器；但一般说来：QM并不正比于外加偏压VG，需要讨论微分电容。引言：引言：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province令C为MOS系统单位面积的微分电容，则：微分电容C的数值随外加偏压VG变化，这 个变化规律称为MOS系统的电容-电压特性Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province令:C0：绝缘层单位面积上的电容CS：半导体表面空间电荷区单位面积的电容Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province两个电容串联后，总电容变小，且其数值主要由较小的一个电容所决定，因为大部分电压都降落在较小的电容上。C/C0称为系统的归一化电容即有：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province对于理想对于理想MOSMOS系统，由高斯定律：系统，由高斯定律：C C0 0是一个不随外加电压变化的常数是一个不随外加电压变化的常数Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province由于半导体的表面电容由于半导体的表面电容C CS S是表是表面势面势 的函数，因而也是外加的函数，因而也是外加偏压的函数。显然，如果求出偏压的函数。显然，如果求出C CS S随随V VGG变化的规律，就可以得变化的规律，就可以得到到MOSMOS系统的总电容系统的总电容C C随外加随外加偏压变化的规律。偏压变化的规律。Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province1.1.积累区（积累区（V VG G00）随着外加偏压随着外加偏压V VGG的增加，的增加，x xd d将增大，从而电容将增大，从而电容C CS S将减小。由将减小。由C CS S和和C C0 0串联的，串联的，MOSMOS电容电容C C也将随着外加偏压也将随着外加偏压V VGG的增加减小的增加减小可得：在耗尽区，由：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province对于氧化层有：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province耗尽区归一化电容随外加偏压的增加而减小耗尽区归一化电容随外加偏压的增加而减小耗尽区归一化电容为：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province耗尽区的耗尽区的C-VC-V特性特性Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province出现反型层以后的电容C与测量频率有很大关系，所谓电容C与测量频率有关，就是与交变信号电压的频率有关。4. 4. 反型区（反型区（V VGG00）在测量电容C时，在MOS系统上施加有直流偏压VG，然后在VG之上再加小信号的交变电压，使电荷QM变化，从而测量电容C。在不同的直流偏压下测量C ，便得到C-V关系。测量方法：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province在积累区和耗尽区，当表面势变化时，空间电荷的变化是通过在积累区和耗尽区，当表面势变化时，空间电荷的变化是通过多子空穴多子空穴的的流动实现的，从而引起电容效应。在这种情况下，电荷变化的一般能跟得上流动实现的，从而引起电容效应。在这种情况下，电荷变化的一般能跟得上交变电压的变化。交变电压的变化。电容与频率无关。电容与频率无关。Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province在出现反型层以后，特别是在接近强反型时，表面电荷由两部 分组成：一部分是反型层中的电子电荷QI，它是由少子的增加 引起的；另一部分是耗尽层下的电离受主电荷QB，它是由多子空穴的丧失引起的：表面电容表面电容C CS S为：为：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province如果测量电容的信号频率较高，耗尽层中电子-空穴对的产生和 复合过程跟不上信号的变化，反型层中的电子电荷QI也就来不 及改变。则有：则高频情况下，反型层中的电容为：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province随着直流偏压VG的增加，xd增大，电容C按耗尽层的电容变化规律而减小。当表面形成强反型层时，强反型层中的电子电荷随直流偏压的增加而增加，对直流偏置电场起屏蔽作用。 于是，耗尽层宽度不再变化，达到极大值xdm，此时，MOS系统的电容C就达到最小值Cmin。且不再随VG的增加而变化，如图中虚线所示。电容电容C C按耗尽层的电容变化规律按耗尽层的电容变化规律Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province正比氧化层厚度正比掺杂浓度Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province表面电容由反型层中电子电荷的变比所决定：表面电容由反型层中电子电荷的变比所决定：（2）在接近强反型区，如果测量电容的信号频率比较低，耗尽 层中电子-空穴对的产生与复合过程能跟得上信号的变化，这时，反型层中的电子电荷的变化，屏蔽了信号电场， 对表面电容的贡献是主要的，而耗尽层的宽度和电荷QB基本上不变：Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province在实验中通常利用约在实验中通常利用约 1010HzHz的频率可以测得的频率可以测得 低频曲线，用于低频曲线，用于 10104 410105 5HzHz的频率可的频率可测得高频曲线。测得高频曲线。反型层低频C-V特性形成强反型层以后，QI随 变化很快，CS数值很大，此时MOS 系统的电容C接近C0，即有：MOSMOS电容由高频向低频电容由高频向低频 值过渡取决于耗尽层值过渡取决于耗尽层 中少子的产生率和复中少子的产生率和复 合率，以及有无提供合率，以及有无提供 少子的外界因素等少子的外界因素等反型层高频C-V特性Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceMOSFET-MOSFET-常见结构常见结构Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui ProvinceMicro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province