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MOS管基础知识,MOS电容架构详解

作者:立深鑫电子        发布时间:11-23        点击:
摘要 : MOSFET结构的核心是金属-氧化物-半导体电容,即MOS电容。MOS电容自身并不是一种广泛应用的器件,但是却是整个MOS晶体管的核心单元。MOS中的金属最初是铝,现在大多数情况被沉积在氧化物上的多晶硅代替。MOS电容的基本架构如下所示。
MOSFET结构的核心是金属-氧化物-半导体电容,即MOS电容。MOS电容自身并不是一种广泛应用的器件,但是却是整个MOS晶体管的核心单元。MOS中的金属最初是铝,现在大多数情况被沉积在氧化物上的多晶硅代替。MOS电容的基本架构如下所示。

MOS管电容架构

图中,tox是氧化物的厚度,εox为氧化物的介电常数。MOS电容的物理特性可以借助于常见的平板电容来理解。下图是P型半导体的MOS电容结构,顶端的金属,称为门极,相对于基底的P型半导体施加负向偏置电压。门极的金属端将聚集负电荷,同时呈现出如图中箭头所示方向的电场。

MOS管电容架构

如果电场穿透半导体区域,P型半导体中的空穴会在电场力的作用下向氧化物-半导体界面移动。稳定状态下的电子空穴分布如下图所示,在氧化物-半导体的界面形成了带正电的空穴聚集层,而在金属端即门极形成了电子的聚集层,这和平板电容形成电场的机制相同。这也是MOS电容形成的机理。

MOS管电容架构

接下来将加载在MOS电容的偏置电压反向,如下图所示。在门极端聚集了正电荷,激发的电场方向发生了反转。在这种状况下,如果电场强度穿透半导体区域,那么P型半导体中的空穴受到电场力的作用而远离氧化物-半导体界面。

MOS管电容架构

空穴被驱离,从而在氧化物-半导体界面处形成负电荷的空间电荷层。门极施加的电压值越高,感应电场越强。作为少子的自由电子被吸引到氧化物-半导体的交界处,如下图所示。形成少子载流子电子的区域称为电子反转层。

MOS管电容架构

N型半导体形成的MOS电容机制与P型半导体相类似。下图是N型半导体MOS电容的结构示意图,在门级施加正向偏置电压时,在门级产生正电荷,感应产生出相应的电场;同时在氧化物-半导体界面处产生电子聚集层。

MOS管电容架构

当在N型MOS电容的门极施加反向偏置电压时,感应电场在N型半导体的基底区域感应出正的空间电荷区。当施加的电压增加时,在氧化物-半导体界面处产生正电荷区域,称为空穴反转区。

MOS管电容架构

需要施加一定的电压才能产生电荷反转区的特性称为增强模式。N型半导体基底的MOS电容需要在门极施加负电压才能形成反转区,而P型半导体基底的MOS电容需要在门极施加正电压。