固体物理-7.7-金属--绝缘体--半导体和MOS反型层

§7.7金属－绝缘体－半导体和MOS反型层MIS体系：金属－绝缘体－半导体(Metal－Insulator－Semiconductor)MOS体系：金属－氧化物－半导体——MIS结构的一种特殊形式(Metal－Oxide－Semiconductor)MOS有着许多主要的应用1)绝缘栅场效应管：存储信息2)集成电路：计算机RAM3)电荷耦合器件：CCD——存储信号，转换信号——P型半导体MIS体系的机理金属层——栅极半导体接地氧化物(SiO2~100nm)1)在栅极施加电压为负时，半导体中的空穴被吸收到IS表面，并在表面处形成带正电荷的空穴积累层2)在栅极施加电压为正时，半导体中的多数载流子——空穴被排斥离开IS表面少数载流子——电离的受主电子被吸收表面处3)正电压较小——空穴被排斥，在表面处形成负电荷的耗尽层——为屏蔽栅极正电压,耗尽层具有一定的厚度——d~微米量级——空间电荷区——空间电荷区存在电场，使能带发生弯曲对空穴来说形成一个势垒表面——x＝0相对于体内xd的电势差——表面势：Vs——栅极正电压增大时，表面势进一步增大——表面势足够大时，有可能表面处的费密能级进入带隙的上半部——空间电荷区电子的浓度将要超过空穴的浓度——形成电子导电层空间电荷区的载流子主要为电子，半导体内部的载流子为空穴，空间电荷层——反型层形成反型层时的能带Ei是半导体的本征费密能级，EF是表面处的费密能级——当EF在Ei之上时，电子的浓度大于空穴的浓度——两者相等时，电子和空穴的浓度相等——当EF在Ei之下时，电子的浓度小于空穴的浓度形成反型层的条件FiFEEqV22()iFiFqVqVEE——费密能级EF从体内Ei之下变成表面时Ei之上，两者之差qVF满足一般形成反型层的条件——表面处电子浓度增加到等于或超过体内空穴的浓度反型层中的电子，一边是绝缘层——导带比半导体高出许多，另一边——是耗尽层空间电荷区电场形成的势垒——电子被限制在表面附近能量最低的一个狭窄的区域——有时称反型层称为沟道——P型半导体的表面反型层是电子构成的——N沟道N沟道晶体管在P型衬底的MOS体系中增加两个N型扩散区——源区S和漏区D，构成N沟道晶体管1)一般情况下：栅极电压很小，源区S和漏区D被P型区隔开，即使在SD之间施加一定的电压，由于SP和DP区构成两个反向PN结——只有微弱的PN反向结电流2)栅极电压达到或超过一定的阈值，Insulator_P-Si表面处形成反型层——电子的浓度大于体内空穴的浓度3)通过控制栅极电压的极性和数值，使MOS晶体管处于导通和截止状态，源区S和漏区D之间的电流受到栅极电压的调制——集成电路应用——反型层将源区S和漏区D连接起来，此时在SD施加一个电压，则会有明显的电流产生