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  • 關于MOS平帶電壓詳細解析
    • 發布時間:2022-06-24 15:58:48
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    關于MOS平帶電壓詳細解析
    MOS
    平帶電壓
    平帶電壓(Flat band voltage)就是在MOS系統中,使半導體表面能帶拉平(呈平帶狀態)所需要外加的電壓。
    平帶狀態一般是指理想MOS系統中各個區域的能帶都是拉平的一種狀態。
    對于實際的MOS系統,由于金屬-半導體功函數差φms和Si-SiO2系統中電荷Qf 的影響, 在外加柵極電壓為0 時,半導體表面的能帶即發生了彎曲,從而這時需要另外再加上一定的電壓才能使能帶拉平,這個額外所加的電壓就稱為平帶電壓。
    平帶電壓計算
    平帶電壓可分為兩部分相加,Vfb=Vfb1+Vfb2,Vfb1用來抵消功函數差的影響,Vfb2用來消除氧化層及界面電荷的影響。
    1)Vfb1
    Vfb1=φms=φg-φf
    對于多晶硅柵,高摻雜的情況下,φg≈0.56V,+用于p型柵,-用于n型柵。
    φf是相對于本征費米能級的費米勢。
    2)Vfb2
    以固定的有效界面電荷Q0來等效所有各類電荷作用,Vfb2=-Q0/Cox。
    Cox為單位面積氧化層電容,可用ε0/dox求得。
    總結起來,Vfb=φg-φf-Q0/Cox。
    MOS的閾值電壓是指使半導體表面產生反型層(即溝道)時所需要外加的柵極電壓。
    如果存在平帶電壓,柵壓超過平帶電壓的有效電壓使得半導體表面出現空間電荷層(耗盡層),然后再進一步產生反型層;故總的閾值電壓中需要增加一個平帶電壓部分。
    由于平帶電壓中包含有Si-SiO2系統中電荷Qf 的影響,而這些電荷與工藝因素關系很大,故在制作工藝過程中需要特別注意Na離子等的沾污,以便于控制或者獲得預期的閾值電壓。
    平帶電壓測定
    對于體相的半導體材料而言,我們可以通過Mott-Schottly公式推算,進行簡化戳通過作圖大體上計算出其平帶電位,但是對于納米級別的半導體材料則主要是通過儀器的直接測定。
    電化學方法:在三電極體系下,使用入射光激發半導體電極,并改變電極上的電勢。當施加的電位比平帶電位偏負的時候,光生電子不能夠進入外電路,也就是說不會產生光電流。
    相反,當施加的電位比平帶電位偏正的時候,光生電子則能偶進入外電路,進而產生光電流。所以開始產生光電流的電勢即為該納米半導體的平帶電位。
    光譜電化學方法:該方法同樣是在三電極體系下,對半導體納米晶施加不同的電位,測量其在固定波長下吸光度的變化?;镜脑砼c電化學方法大體相同。
    當電極電位比平帶電位正時,吸光度不發生變化;偏負時則急劇上升。因為,吸光度開始急劇上升的電位即為納米半導體的平帶電位。
    MOS平帶電壓
    M、O、S三者接觸前,本來半導體帶是平的,接觸以后不平了。想知道平帶電壓是什么,要先搞清楚使得能帶由平變彎的因素是什么。之后加一個等效的柵壓,把能帶再一次給掰回去、掰平,這個電壓就是平帶電壓。
    M、O、S三者接觸前,氧化層兩端電勢相等,也就是Vox=0;半導體能帶不彎曲,也就是Φs=0。
    但是,MOS一接觸,Vox和Φs都不等于零了,這其實是兩大類機理共同作用產生:
    1.金屬跟半導體功函數的差,分配在了Vox和Φs上。
    2.絕緣層電荷+界面態電荷所形成的電場,產生了Vox和Φs。
    對于絕緣層電荷,還包括a)氧化不完全產生的近OS界面處的固定正電荷。b)自由金屬雜質正電荷。3)高能電子撞擊等因素產生的整個氧化層內的缺陷電荷。
    如果僅有因素1,即MOS是無缺陷電荷的,那么很好理解,加一個大小等于金屬半導體的功函數差的柵壓,能帶就又平了。不僅如此,分配給Vox的勢差也一樣沒有了。
    如果僅有因素2,即金屬跟半導體的功函數相等。那么,想要半導體能帶平,需要半導體處無電場,也即柵極提供與缺陷態電荷等量反號的電荷。但這時候,絕緣層內仍有電場,因此Vox仍不為零。
    對于第二類情況的平帶電壓計算,Vfb=Q[四類缺陷電荷]/C[與柵與缺陷點的距離成反比]。對于絕緣層內不同位置的缺陷電荷,它對柵極電壓的影響不同(Vfb=Ex[有效])。
    因此,對所有電荷,只需要表示出橫向上的總電荷密度,(x*電荷密度*dx)在整個絕緣層區域內積分,即可得平帶電壓。
    如果MOS同時具有因素1和因素2,那只需要將上述兩類機理產生的平帶電壓加和,即可得平帶電壓。
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