MOS电容器结构的电容一电压特性的相互关系分析

信息来源: 时间:2021-11-26

MOS电容器结构的电容一电压特性的相互关系分析

MOS电容器结构的电容-电压关系特性的研究已经成为探索半导体表面的一种非常有力的工具。使用这种技术通常只需要制备一个比较简单的MOS电容器结构,但是所得到的全部结果实际上都可以直接应用到更为复杂的MOS场效应晶体管。这项技术是基于如下的事实:即只要把由半导体衬底制作的MOS电容器的理论电容-电压关系和实际的实验观测C-V曲线比较一下,就能确定半导体-绝缘物界面的重要电学性质。

MOS电容器结构,MOS电容器电压特性

图3.17所示说明制作于p型硅衬底的MOS电容器的高频电容-电压典型实验曲线与理论曲线的比较情况。图中的理论曲线(a)是按照3.2.5节所讲的步骤,并令平带电压等于零而得到的。曲线(c)由实验取得,方法是测量高频条件下的栅-衬电容,测量时缓慢改变直流偏压值,并用x-y座标记录器描出所得结果。实验曲线相对于理论曲线沿座标轴的负方向偏移一个距离,几乎都是这种情形。这是因为固定正值界面电荷密度总是正值的缘故。曲线(b)表明实验曲线对理论曲线平行偏移了一个距离,这个平行移动仅在氧化物-硅界面没有快表面态的情况下出现,可以认为这是由于Qss和栅极绝缘物上的离子电荷以及功函数фMS′的影响。曲线(a)和(b)之间的电压偏移等于

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在发生耗尽现象的栅压下,实验C-V曲线的实际斜率有时稍稍小于理论曲线的斜率。这种情况可以在举例的实验曲线(c)上看出。实验曲线斜率的下降可以直接认为是由于氧化物-硅界面上快表面态的充电和放电。MOS电容器结构。本来,快表面态是复合一产生中心(能量位于半导体导带和价带之间的禁带内)这一结果是由于界面附近出现无规的晶格所致。单位面积快表面态电荷密度与Qss的区别在于:快表面态电荷很容易与半导体体内交换电荷。特别是快表面态的总电荷密度与表面电势有关,因此随栅极电压而变。如果单位面积带电快态密度记为NST,那末按照推导(3.13)时所使用的步骤,单位面积栅-衬电容可以表成

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式中

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由此可见,因为快表面态的作用C-V实验曲线相对于理论曲线的附加平行偏移,也将随外加栅压而变化。

随着负栅压的增加,越来越多的电子将被排斥出快表面态,而原来处于电中性的快表面态变为带正电。从(3.41)和(3.42)不难看出,一旦快表面态带正电,即将对CST发生作用,并将影响总的栅-衬电容。MOS电容器结构。因此,由实验观测得出的C-V曲线将随负栅压的增加进一步向左移动,如图3.17所示。由于快表面态存在而引起的作为栅压函数的移动量将是

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实验曲线(c)和理论曲线之间的总移动量等于

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尽管在早期的MOS器件中,快表面态的存在对其电特性具有明显的影响,但应注意到近年发展起来的硅工艺技术已经成功地降低了快表面态密度,使其对器件特性观测值的影响一般都可以略而不计。


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