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MOS結構和MOSFET反型層電荷的來源

CHANBAEK ? 來源: 古道矽風 ? 作者: 古道矽風 ? 2023-12-16 16:32 ? 次閱讀

我們知道,MOS結構的CV曲線是跟頻率相關的,高頻和低頻曲線長這樣,但是用MOS管是測不出來高頻曲線的,只能測出低頻曲線,為什么呢,下面來簡單盤一盤。

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MOS結構和MOSFET的區別就在于反型狀態下的電容特性,到底是只考慮氧化層電容還是氧化層電容和結電容的串聯,關鍵在于反型層中的電荷變化是否能跟上外加電壓的變化。MOS結構和MOSFET的CV曲線的差異,究其本質,在于MOS結構和MOSFET中反型層電荷來源是不一樣的。

MOS結構反型層電荷的來源

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以P型襯底的MOS結構為例,為方便理解,反型時半導體一側可以當作反偏的PN + 結來看待,即耗盡區只在P區一側擴展,此時,隨著柵極電壓增加,反型層電子數量也要相應增加,從哪來呢,回顧下反偏PN + 結的電流成分,要么P區的少子電子通過耗盡區擴散到反型層那邊去,這就是理想PN結的反向飽和電流的那部分;另外就是反偏產生電流,就是在耗盡區中由于熱運動產生的電子空穴對。還有其他成分嗎?感覺應該沒了哈。

由PN結的開關特性我們知道,這兩個電流成分不能瞬間產生也不能瞬間消失,所以是跟頻率有關的。但這又產生了一個問題,到底多高才算高頻,多低才叫低頻呢?其實這跟載流子的壽命有關。我們知道,PN結的開關時間主要由反向恢復時間決定,如果這個時間大于你測電容的交流小信號周期,那么你就測不到反型層電荷隨外加電壓信號變化的這個過程,自然測出來的就是高頻曲線。對于目前主流的制造工藝來說,在不加少子壽命控制技術的情況下,載流子的壽命相對來說還是比較長的,一般測出來的都是高頻曲線,要想測出低頻曲線,必須用準靜態方法。

還有一個問題,就是襯底能產生足夠多的電子嗎?假設P型襯底濃度為10 16cm-3,那么其少子電子的濃度就只有10 4cm-3,就這么點夠反型層霍霍嗎,當然不夠,實際上反偏PN結的產生電流遠大于擴散電流,所以這里反型層電荷主要由耗盡區產生電流提供。

MOSFET反型層電荷的來源

對于MOSFET,上面這套理論同樣適用,以P型襯底的N溝道MOSFET為例,關鍵是它多了N + 源區,跟反型層勾搭在一起,可以快速地給反型層提供足夠多的電子,甭管你信號頻率有多高,反型層都能足夠快地響應你的變化,所以MOSFET測出來的都是典型的低頻曲線。

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