MOS電容的基本架構(gòu)
MOSFET結(jié)構(gòu)的核心是金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容，即MOS電容。MOS電容自身并不是一種廣泛應(yīng)用的器件，但是卻是整個(gè)MOS晶體管的核心單元。
MOS中的金屬最初是鋁，現(xiàn)在大多數(shù)情況被沉積在氧化物上的多晶硅代替。MOS電容的基本架構(gòu)如下所示。
MOS電容的基本架構(gòu):圖中，tox是氧化物的厚度，εox為氧化物的介電常數(shù)。MOS電容的物理特性可以借助于常見的平板電容來理解。
下圖是P型半導(dǎo)體的MOS電容結(jié)構(gòu)，頂端的金屬，稱為門極，相對于基底的P型半導(dǎo)體施加負(fù)向偏置電壓。門極的金屬端將聚集負(fù)電荷，同時(shí)呈現(xiàn)出如圖中箭頭所示方向的電場。
如果電場穿透半導(dǎo)體區(qū)域，P型半導(dǎo)體中的空穴會(huì)在電場力的作用下向氧化物-半導(dǎo)體界面移動(dòng)。
穩(wěn)定狀態(tài)下的電子空穴分布如下圖所示，在氧化物-半導(dǎo)體的界面形成了帶正電的空穴聚集層，而在金屬端即門極形成了電子的聚集層，這和平板電容形成電場的機(jī)制相同。這也是MOS電容形成的機(jī)理。
接下來將加載在MOS電容的偏置電壓反向，如下圖所示。在門極端聚集了正電荷，激發(fā)的電場方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)。在這種狀況下，如果電場強(qiáng)度穿透半導(dǎo)體區(qū)域，那么P型半導(dǎo)體中的空穴受到電場力的作用而遠(yuǎn)離氧化物-半導(dǎo)體界面。
空穴被驅(qū)離，從而在氧化物-半導(dǎo)體界面處形成負(fù)電荷的空間電荷層。門極施加的電壓值越高，感應(yīng)電場越強(qiáng)。作為少子的自由電子被吸引到氧化物-半導(dǎo)體的交界處，如下圖所示。形成少子載流子電子的區(qū)域稱為電子反轉(zhuǎn)層。
N型半導(dǎo)體形成的MOS電容機(jī)制與P型半導(dǎo)體相類似。下圖是N型半導(dǎo)體MOS電容的結(jié)構(gòu)示意圖，在門級(jí)施加正向偏置電壓時(shí)，在門級(jí)產(chǎn)生正電荷，感應(yīng)產(chǎn)生出相應(yīng)的電場；同時(shí)在氧化物-半導(dǎo)體界面處產(chǎn)生電子聚集層。
當(dāng)在N型MOS電容的門極施加反向偏置電壓時(shí)，感應(yīng)電場在N型半導(dǎo)體的基底區(qū)域感應(yīng)出正的空間電荷區(qū)。當(dāng)施加的電壓增加時(shí)，在氧化物-半導(dǎo)體界面處產(chǎn)生正電荷區(qū)域，稱為空穴反轉(zhuǎn)區(qū)。
需要施加一定的電壓才能產(chǎn)生電荷反轉(zhuǎn)區(qū)的特性稱為增強(qiáng)模式。N型半導(dǎo)體基底的MOS電容需要在門極施加負(fù)電壓才能形成反轉(zhuǎn)區(qū)，而P型半導(dǎo)體基底的MOS電容需要在門極施加正電壓。
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