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上篇为从能带图来理解MOS电容。
今天继续待续的部分。
(3) MOS中三种材料的能带图
MOS,是metal-oxide-semiconductor,很好的反应了MOS的材料组成。虽然metal大多数情况下是导电性很强的多晶硅,但是不妨碍把它当成metal来进行分析。
在上篇中,有讲到p型半导体的费米能级是处于本征半导体费米能级Efi的下方。
因为绝缘体的能带图和本征半导体的能带图,除了禁带宽度有区别外,很类似,所以直观上,可以做一下迁移,也就是绝缘体的费米能级Ef也位于禁带中。
但是金属呢?
金属的能带图有两种,如下图所示,一种是部分填充,存在禁带;一种是价带和导带重叠。所以我理解的时候犯了难,我不知道怎么迁移了。
deepseek说,在T=0K时,费米能级定义为电子占据的最高能级,我琢磨琢磨,应该可以接受。
因为在[1]中,有说,能级被电子占据的概率,符合Fermi-Dirac分布,即:
所以,当E>Ef时,能级被电子占据的概率是0,也就是说,当T=0K时,费米能级Ef是电子占据的最高能级。
又因为两种能带的金属,不管是部分填充还是价带和导带重叠,在导带中,都有电子,所以费米能级是位于导带内。
所以,MOS中三种材料的能带图,如下图所示。
但是,要分析这三种材料相互接触时,能带图的变化,还需要另外两个量。
一个是材料的电子亲和性(electron affinity),其是材料导带底与真空能级之间的能量差。在真空能级处,电子彻底放飞,从材料中脱离出来,进入真空中。电子亲和性,主要由材料本身决定,不依赖于费米能级的位置和材料的掺杂浓度。
一个是功函数,其是材料的费米能级与真空能级之间的能量差。
将这两个量,添加到MOS中三种材料的能带图,则是:
(4)当三种材料接触后,会怎么样?
想写的时候,发现自己还是不懂。我在想Evacuum的值是不是个固定值,问deepseek,说是的。但是在书中,Evacuum都有弯曲啊???
当我去找相关资料去解答疑惑的时候,发现一个小哥,为了测MOS电容的C/V,自己在实验室搞了个MOS芯片。
唉,看着他满桌子的试剂,还有仪器,我就想,为嘛人家会热爱成这样子啊!!
参考文献:
[1] Ali Hajimiri, Analog
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