MOS結(jié)構(gòu)能帶圖

金屬-絕緣體（氧化層）-半導(dǎo)體構(gòu)成MOS結(jié)構(gòu)，金屬作為柵極，當(dāng)柵極零偏時(shí)，理想情況下半導(dǎo)體能帶是平的，意味著半導(dǎo)體內(nèi)沒有凈電荷存在。

以P型半導(dǎo)體為例，對(duì)柵極加負(fù)電壓，受電場(chǎng)的影響，氧化物-半導(dǎo)體界面處的價(jià)帶更加靠近費(fèi)米能級(jí)，說明這里有空穴的堆積，由于沒有電流流過，費(fèi)米能級(jí)依然是水平的。

加正偏壓情況，界面處空穴被推離，費(fèi)米能級(jí)離價(jià)帶更遠(yuǎn)，產(chǎn)生空間電荷區(qū)。

繼續(xù)增大電壓，費(fèi)米能級(jí)變得更接近導(dǎo)帶，說明半導(dǎo)體表面已從P型變成了N型，產(chǎn)生了電子反型層。

耗盡區(qū)寬度

先定義半導(dǎo)體的本征費(fèi)米能級(jí)和EFi費(fèi)米能級(jí)EF之差為?fp，以半導(dǎo)體體內(nèi)為零勢(shì)能參考點(diǎn)，表面處的電勢(shì)?s稱為表面勢(shì)，它就是體內(nèi)和表面本征費(fèi)米能級(jí)的差值，那么耗盡區(qū)寬度可以寫為

當(dāng)?s=2?fp時(shí)，表面處的電子濃度等于體內(nèi)空穴濃度，這種情況稱為閾值反型點(diǎn)，此時(shí)外加的電壓稱為閾值電壓。如果外加電壓大于閾值電壓，表面處導(dǎo)帶會(huì)輕微地向費(fèi)米能級(jí)彎曲，電子數(shù)量繼續(xù)增加，但耗盡區(qū)寬度將不會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)榇藭r(shí)反型層可以產(chǎn)生足夠多的負(fù)電荷，不需要擴(kuò)展耗盡區(qū)。

功函數(shù)差

類似金半接觸，功函數(shù)的差異會(huì)導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生電場(chǎng)和電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差會(huì)降落在氧化層和半導(dǎo)體內(nèi)，

平帶電壓

平帶電壓的定義為當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)沒有能帶彎曲時(shí)所加的柵壓，此時(shí)表面勢(shì)為零，凈空間電荷為零，但由于功函數(shù)差和氧化層內(nèi)可能存在的陷阱電荷，此時(shí)穿過氧化物的電壓不一定為零。

假設(shè)氧化物中陷阱電荷量為Qss′，單位面積的柵氧化層電容為Cox，則平帶時(shí)穿過氧化物的電壓為

要想使表面勢(shì)為零，需要產(chǎn)生一個(gè)能抵消功函數(shù)差和氧化物陷阱電荷的電壓（注意實(shí)際功函數(shù)差和氧化層電荷的正負(fù)號(hào)）

這個(gè)電壓就叫平帶電壓（也可以認(rèn)為是零偏時(shí)的表面電勢(shì)）。

閾值電壓

閾值電壓定義為達(dá)到閾值反型點(diǎn)時(shí)所加的柵壓。在剛反型時(shí)，耗盡層空間電荷值達(dá)到最大值

先暫時(shí)不考慮功函數(shù)差和氧化層電荷的影響，從理想MOS結(jié)構(gòu)來看，此時(shí)閾值電壓就等于氧化層電壓和表面電勢(shì)之和

考慮功函數(shù)差和氧化層電荷的影響，加上平帶電壓即可

C-V特性

堆積模式下，MOS電容的單位面積電容就是柵氧化層電容，為定值

耗盡模式下，MOS電容為柵氧化層和耗盡層電容串聯(lián)

總電容隨耗盡區(qū)寬度增大而減小，當(dāng)達(dá)到閾值反型點(diǎn)時(shí)，耗盡區(qū)寬度達(dá)到最大，此時(shí)總電容最小。

反型情況下，如果反型層電荷能跟上電容電壓的變化（低頻），則總電容就是柵氧化層電容（公式同積累模式）

如果反型層電荷跟不上電容電壓的變化（高頻），則總電容就是閾值反型時(shí)的最小電容。

不同的氧化層電荷會(huì)導(dǎo)致C-V曲線的平移（只影響平帶電壓），可以用來確定氧化層電荷。

界面態(tài)存在時(shí)，C-V曲線形狀將會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)榻缑鎽B(tài)中的電荷數(shù)量會(huì)隨著外加電壓變化而變化。

思考

堆積/耗盡/反型的電子/空穴來源是哪里？

在達(dá)到閾值電壓前，氧化層壓降和半導(dǎo)體表面電勢(shì)之間是如何分配的。