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IGBT中的MOS結(jié)構(gòu)—閾值電壓(上)

冬至子 ? 來源:橘子說IGBT ? 作者:orange ? 2023-11-29 14:19 ? 次閱讀

MOS之所以能夠以電壓控制,并起到開關(guān)的作用,正是由于上述反型層的機(jī)制,其中閾值電壓圖片是反型層的重要參數(shù)。圖片是能帶彎曲到臨界反型的柵極所加電壓值。對于圖片的理解,首先需要了解有哪些物理量會導(dǎo)致能帶彎曲。能帶彎曲的本質(zhì)是能級被電子占據(jù)的概率的改變。從器件結(jié)構(gòu)上看,影響半導(dǎo)體能帶彎曲的因素要么源自于柵極,要么源自于絕緣層,下面分開進(jìn)行論述。

1.柵極與半導(dǎo)體材料之間的功函數(shù)差

上一節(jié)討論反型層時,假設(shè)了多晶硅柵極的功函數(shù)與費(fèi)米能級持平,實(shí)際情況并不如此。下面我們分兩種情況來討論,一是柵極直接采用金屬Al,二是柵極采用N型重?fù)诫s的多晶硅(因?yàn)槎嗑Ч杩沙惺芨邷兀瑢?shí)際更常用)。(功函數(shù)為材料費(fèi)米能級與真空自由電子能級的差值,這里不作詳述)

1-1. 采用金屬Al作為柵極

Al的功函數(shù)大約為, 圖片本征硅的功函數(shù)大約為,圖片假設(shè)圖片,那么P型硅功函數(shù)大約為圖片,N型硅功函數(shù)大約為, 圖片

當(dāng)金屬Al、氧化硅和硅獨(dú)立存在時,顯然三種材料的費(fèi)米能級不在同一個位置。但當(dāng)三種材料合到一起成為一體,電子可以在能級之間傳輸,那么在熱平衡狀態(tài)下,費(fèi)米能級一定平衡到同一高度,這會導(dǎo)致氧化硅和硅的能帶彎曲。

因?yàn)锳l的功函數(shù)最小,那么越靠近金屬Al的位置,原來氧化硅和硅同一能級被電子占有的概率越高,即更加靠近費(fèi)米能級,表現(xiàn)為能級向下彎曲。

反之,如果要將能帶變平,就必須外加電壓,克服金屬Al和硅之間的功函數(shù)差,假設(shè)該電壓為圖片

圖片

即,若沒有這個功函數(shù)差,那么閾值電壓就要多施加1.05V。

圖片

1-2. 采用多晶硅(N型重?fù)诫s)作為柵極

與上面關(guān)于金屬Al作為柵極的分析有相似和不同。

相似點(diǎn)是,若要讓能帶變平,首先需要外施加電壓以克服N型重?fù)诫s多晶硅之間的功函數(shù)差,參照PN結(jié)內(nèi)建電勢的計算(原理相同,回顧《IGBT中的若干PN結(jié)》),假設(shè)該電壓為圖片,那么,

圖片

其中,圖片為P-base摻雜濃度, 圖片為N型重?fù)诫s多晶硅濃度。

圖片

不同點(diǎn)是,多晶硅是半導(dǎo)體,作為柵極必須還要克服電子激發(fā)并越過禁帶寬度,使其成為良導(dǎo)體,硅的禁帶寬度約為1.12eV。假設(shè)外加電壓為圖片,那么

圖片

假設(shè)Na=1e17cm3, Npoly=1e20cm-3,ni=1.45e10cm-3,那么計算可得

圖片

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