栅极绝缘物内离子电荷对MOS晶体管阈电压的影响

在推导MOS场效应晶体管阈电压表达式时，曾假定栅极氧化物所有电荷都是正的，非可动的，位置非常接近氧化物-硅界面。然而实际上，这并不总是完全正确。虽然栅极氧化物层内的离子电荷密度通常取正值，但是，其中可动的和非可动的都有，而且分布于整个氧化层。除非在制作MOS器件的过程中十分小心，否则栅极绝缘物就可能受到可动的正钠离子的污染，在外加栅极电压作用下，这些离子发生缓慢运动，而使阈电压长时间发生变化。MOS晶体管阈电压的影响。当MOS器件受到辐射轰击时，氧化层内就会产生非可动正离子电荷。这些效应将在以后各章更为详尽地讨论。应当特别注意的是：MOS器件栅极绝缘物内的任何离子电荷都将对其阈电压产生显著的影响。这一点只要研究一下如图2.19所示的简单MOS结构就不难理解。

如单位面积数值为+Qcx的电荷薄层位于距离氧化物-硅界面x处，则在该电荷薄层上将产生电场强度法向分量的不连续性，从而

同时假设，在-Tcx<x<0内，通过MOS结构氧化层的电压可以任意设为零^●，那末

方程（2.46）可以改写为

代入（2.47）得到

或

在硅中必须用量值

^●当氧化层内出现电压降时，其所对应的阈电压与氧化层电压降为零所对应的阈电压相差一个常数，并不改变其它性质。——译者注

即单位面积电荷密度来终止。

显然，当电荷层位于x≈0时，氧化物电荷密度在硅中感应的电荷密度其值相等，符号相反，结果起到与固定正界面电荷密度Qss相同的作用。不过当氧化物电荷位于x=-Tcx时，在硅表面的感应电荷密度将等于零。因此，在硅中感应的电荷量将取决于氧化物电荷层与氧化物-硅界面接近的程度。单氧化物电荷层对MOS器件阈电压的影响可以认为是除了实际值Qss以外的“有效”界面电荷密度，亦即

在氧化物中任意离子电荷的分布只与x有关，将电荷分布作为氧化物中的无数电荷层的和来考虑，即可求得它对器件阈电压的影响，用ρ（x）表示氧化层中单位体积的电荷密度，其结果可以用积分获得

积分上限取x=0-；因此，单位面积实际的固定正界面电荷不在积分之内。

当氧化物中有离子电荷时，MOS结构仍然保持电荷中性。而第n个电荷薄层在硅中感应产生的单位面积电荷密度为-Qsn。时，在栅极上也因感应而产生-附加电荷密度，此处为第n个电荷薄层中单位面积电荷密度，在出现强反型时，电荷中性条件是

因为离子电荷越是接近氧化物-硅界面，氧化物中离子电荷对阈电压的影响越大，带电可动离子在高电场作用下漂移通过栅极氧化层会导致MOS场效应器件特性的不稳定。MOS晶体管阈电压的影响。例如，如果栅极氧化层为带正电的钠离子所污染，当施加较大的正栅极电压时，离子将向氧化物-硅界面漂移，在这里它们对阈电压VT产生的影响最大，阈电压将更负。另一方面，当施加较大的负栅极电压时，钠离子被吸引到栅电极，在这里钠离子实际上并不影响表面空间电荷区的特性，而阀电压将沿正方向回移。

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