IGBT中的MOS結(jié)構(gòu)—閾值電壓（上）

MOS之所以能夠以電壓控制，并起到開(kāi)關(guān)的作用，正是由于上述反型層的機(jī)制，其中閾值電壓是反型層的重要參數(shù)。是能帶彎曲到臨界反型的柵極所加電壓值。對(duì)于的理解，首先需要了解有哪些物理量會(huì)導(dǎo)致能帶彎曲。能帶彎曲的本質(zhì)是能級(jí)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(kāi)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(shí)，假設(shè)了多晶硅柵極的功函數(shù)與費(fèi)米能級(jí)持平，實(shí)際情況并不如此。下面我們分兩種情況來(lái)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?，?shí)際更常用）。（功函數(shù)為材料費(fèi)米能級(jí)與真空自由電子能級(jí)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, 本征硅的功函數(shù)大約為，假設(shè)，那么P型硅功函數(shù)大約為，N型硅功函數(shù)大約為， 。

當(dāng)金屬Al、氧化硅和硅獨(dú)立存在時(shí)，顯然三種材料的費(fèi)米能級(jí)不在同一個(gè)位置。但當(dāng)三種材料合到一起成為一體，電子可以在能級(jí)之間傳輸，那么在熱平衡狀態(tài)下，費(fèi)米能級(jí)一定平衡到同一高度，這會(huì)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(lái)氧化硅和硅同一能級(jí)被電子占有的概率越高，即更加靠近費(fèi)米能級(jí)，表現(xiàn)為能級(jí)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，

即，若沒(méi)有這個(gè)功函數(shù)差，那么閾值電壓就要多施加1.05V。

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(shì)的計(jì)算（原理相同，回顧《IGBT中的若干PN結(jié)》），假設(shè)該電壓為，那么，

其中，為P-base摻雜濃度， 為N型重?fù)诫s多晶硅濃度。

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(guò)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，那么

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