MOS電容的基本架構詳解

2020-11-24 電子發燒友

MOS電容的基本架構詳解

衡麗電子 發表於 2020-11-19 16:09:09

MOSFET結構的核心是金屬-氧化物-半導體電容，即MOS電容。MOS電容自身並不是一種廣泛應用的器件，但是卻是整個MOS電晶體的核心單元。MOS中的金屬最初是鋁，現在大多數情況被沉積在氧化物上的多晶矽代替。MOS電容的基本架構如下所示。

圖中，tox是氧化物的厚度，εox為氧化物的介電常數。MOS電容的物理特性可以藉助於常見的平板電容來理解。下圖是P型半導體的MOS電容結構，頂端的金屬，稱為門極，相對於基底的P型半導體施加負向偏置電壓。門極的金屬端將聚集負電荷，同時呈現出如圖中箭頭所示方向的電場。

如果電場穿透半導體區域，P型半導體中的空穴會在電場力的作用下向氧化物-半導體界面移動。穩定狀態下的電子空穴分布如下圖所示，在氧化物-半導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制相同。這也是MOS電容形成的機理。

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，激發的電場方向發生了反轉。在這種狀況下，如果電場強度穿透半導體區域，那麼P型半導體中的空穴受到電場力的作用而遠離氧化物-半導體界面。

空穴被驅離，從而在氧化物-半導體界面處形成負電荷的空間電荷層。門極施加的電壓值越高，感應電場越強。作為少子的自由電子被吸引到氧化物-半導體的交界處，如下圖所示。形成少子載流子電子的區域稱為電子反轉層。

N型半導體形成的MOS電容機制與P型半導體相類似。下圖是N型半導體MOS電容的結構示意圖，在門級施加正向偏置電壓時，在門級產生正電荷，感應產生出相應的電場；同時在氧化物-半導體界面處產生電子聚集層。

當在N型MOS電容的門極施加反向偏置電壓時，感應電場在N型半導體的基底區域感應出正的空間電荷區。當施加的電壓增加時，在氧化物-半導體界面處產生正電荷區域，稱為空穴反轉區。

需要施加一定的電壓才能產生電荷反轉區的特性稱為增強模式。N型半導體基底的MOS電容需要在門極施加負電壓才能形成反轉區，而P型半導體基底的MOS電容需要在門極施加正電壓。
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