MOSFET结构解析(1)

MOS结构能带图

金属-绝缘体（氧化层）-半导体构成MOS结构，金属作为栅极，当栅极零偏时，理想情况下半导体能带是平的，意味着半导体内没有净电荷存在。

以P型半导体为例，对栅极加负电压，受电场的影响，氧化物-半导体界面处的价带更加靠近费米能级，说明这里有空穴的堆积，由于没有电流流过，费米能级依然是水平的。

加正偏压情况，界面处空穴被推离，费米能级离价带更远，产生空间电荷区。

继续增大电压，费米能级变得更接近导带，说明半导体表面已从P型变成了N型，产生了电子反型层。

耗尽区宽度

先定义半导体的本征费米能级和EFi费米能级EF之差为ϕfp，以半导体体内为零势能参考点，表面处的电势ϕs称为表面势，它就是体内和表面本征费米能级的差值，那么耗尽区宽度可以写为

当ϕs=2ϕfp时，表面处的电子浓度等于体内空穴浓度，这种情况称为阈值反型点，此时外加的电压称为阈值电压。如果外加电压大于阈值电压，表面处导带会轻微地向费米能级弯曲，电子数量继续增加，但耗尽区宽度将不会发生变化，因为此时反型层可以产生足够多的负电荷，不需要扩展耗尽区。

功函数差

类似金半接触，功函数的差异会导致电荷转移产生电场和电势差，这个电势差会降落在氧化层和半导体内，

平带电压

平带电压的定义为当半导体内没有能带弯曲时所加的栅压，此时表面势为零，净空间电荷为零，但由于功函数差和氧化层内可能存在的陷阱电荷，此时穿过氧化物的电压不一定为零。

假设氧化物中陷阱电荷量为Qss′，单位面积的栅氧化层电容为Cox，则平带时穿过氧化物的电压为

要想使表面势为零，需要产生一个能抵消功函数差和氧化物陷阱电荷的电压（注意实际功函数差和氧化层电荷的正负号）

这个电压就叫平带电压（也可以认为是零偏时的表面电势）。

阈值电压

阈值电压定义为达到阈值反型点时所加的栅压。在刚反型时，耗尽层空间电荷值达到最大值

先暂时不考虑功函数差和氧化层电荷的影响，从理想MOS结构来看，此时阈值电压就等于氧化层电压和表面电势之和

考虑功函数差和氧化层电荷的影响，加上平带电压即可

C-V特性

堆积模式下，MOS电容的单位面积电容就是栅氧化层电容，为定值

耗尽模式下，MOS电容为栅氧化层和耗尽层电容串联

总电容随耗尽区宽度增大而减小，当达到阈值反型点时，耗尽区宽度达到最大，此时总电容最小。

反型情况下，如果反型层电荷能跟上电容电压的变化（低频），则总电容就是栅氧化层电容（公式同积累模式）

如果反型层电荷跟不上电容电压的变化（高频），则总电容就是阈值反型时的最小电容。

不同的氧化层电荷会导致C-V曲线的平移（只影响平带电压），可以用来确定氧化层电荷。

界面态存在时，C-V曲线形状将会发生变化，因为界面态中的电荷数量会随着外加电压变化而变化。

思考

堆积/耗尽/反型的电子/空穴来源是哪里？

在达到阈值电压前，氧化层压降和半导体表面电势之间是如何分配的。