MOS capacitance-voltage characteristics
简介
由金属(Metal)-氧化物(Oxide)-半导体(Semiconductor)组成的MOS结构，或叫MOS二极管，是半导体器件中非常重要的 一种基本结构. 也是半导体表面研究的一种非常有用的器件.由于氧化物是绝缘体. 故MOS结构常称作为MIS结构，即金属(Metal)- 绝缘体(Insulator)- 半导体(Semiconductor)结构，或叫MIS二极管.最典型的MOS结构是由硅晶体表面热氧化生长SiO2膜，再在SiO2膜表面蒸发金属(最常用的是Al)电极形成的Al-SiO2-Si系统的MOS结构，如图1所示
图1 MOS二极管
图2 MOS 二极管电容 – 电压特性
MOS结构电容-电压特性是MOS结构最重要的特性.当外加偏压V施加于MOS结构上时，偏压V的一部分降落在氧化层上，另一部分降落在半导体表面空间电荷层，形成表面势ψs.当外加偏压改变时，金属电极上的表面电荷和半导体表面空间电荷层电荷都将发生变化，这种电荷随电压的改变表现出具有一定的电容效应. 因此MOS二极管有时也叫作为MOS电容器.由图1不难看出，MOS电容可以等效为氧化层电容Cox与半导体表面空间电荷层的电容Csc的串联组合.其中氧化层电容为与偏压无关的恒定电容，而表面空间电荷层电容Csc则是偏压的函数.因此，MOS电容是一个固定的氧化层电容Cox与一个可变的空间电荷层电容Csc的串联，所以MOS电容是偏压的函数.表征MOS结构电容随电压变化特征的电容-电压特性，称作为MOS电容-电压特性.MOS电容-电压特性可以给出半导体界面和氧化层的陷阱和电荷态的信息. 是研究绝缘体-半导体界面的有效手段.图2示出P型半导体的理想MOS电容-电压特性，图中示出高频，低频和瞬态的电容 -电压特性，施加负偏压时，P型半导体能带向上弯曲，多数载流子(空穴)在表面积累. 如果偏压足够负. 空间电荷层有大量空穴积累. 因而空间电荷层电容Csc值很大，这时MOS电容变成为一个大电容Csc与一个小电容Cox相串联，总电容取决于小电容Cox，从而呈现如图2所示的与偏压无关的水平线特征. 如果负偏压绝对值较小，空间电荷层中空穴电荷数也较少，因此Csc值较小，这时MOS电容值则取决于Csc与Cox的串联. 从而使MOS电容随负偏压绝对值的减小而逐渐减小，出现图中所示的电容曲线下降.当偏压等于零时，表面势ψs=0，P型半导体能带处于平带状态，相应的电容称作平带电容CFB.它由Cox与Csc0串联组合，Csc0为平带时的空间电荷层电容.施加正偏压时，P型半导体能带向下弯曲.在正向偏压较小时，表面空间电荷层成为多数载流耗尽的耗尽层. 空间电荷层主要由离化的受主杂质电荷构成.随着偏压增大，空间电荷层变宽，Csc值有所增加，但由于空间电荷层电荷随表面势ψs的二次方而变化，因此，在低的正向偏压范围，随着偏压增加，MOS电容值逐渐减小，使电容曲线继续下降.当正向偏压增加到足够大时，半导体表面出现反型层.这时空间电荷层电荷除了离化受主杂质电荷外，还含有大量的少数载流子电荷.少数载流子(电子)对MOS电容的贡献与测量电容时的讯号电压频率有关.在高频情况，当测量讯号频率足够高，使得电子-空穴的产生-复合速率跟不上测量讯号电压的变化时，少数载流子电荷对电容没贡献，Csc仍然由离化受主杂质电荷决定，但由于反型层电子对外场起屏蔽作用，使空间电荷层宽度达到一最大值，然后就不再随偏压变化，因此Csc随偏压变化趋于某一最小值Cmin，相应地，MOS电容变化也趋于某一最小值C′min.出现如图2所示的高频电容-电压特性.在低频时，如果测量讯号频率低到使得少数载流子的产生-复合过程跟得上讯号频率，则反型层的少数载流子对电容有贡献，随着正向偏压增大，反型层电子浓度增加，空间电荷层电容Csc值增大.MOS电容值也相应地增大，因而在低频情况下，随着正向偏压增加.MOS电容的变化先是逐渐下降.经过一极小值后又逐渐上升，最后到强反型时，Csc值很大，这时MOS电容又类同于表面积累区一样趋于Cox的恒定值，如图中所示的低频电容-电压特性.如果测量电容的讯号电压频率比较高，施加到MOS二极管上的偏压为一快脉冲电压，该脉冲电压上升足够快，使得反型层来不及建立，这样，空间电荷层宽度将一直随偏压上升而展宽直到击穿为止，从而使空间电荷层电容Csc将不断减小，相应的MOS电容也就随偏压连续减小，出现图2所示的瞬态电容-电压特性.
对于N型衬底的MOS电容-电压特性.除了电压极性相反外，与上面讨论的P型衬底的MOS电容特性一样，这里不再重复.
以上讨论的是理想的MOS电容-电压特性，对于实际的MOS电容-电压特性，必须考虑界面态，氧化层电荷及功函数差的影响.