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金屬-絕緣體-半導體系統

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金屬-絕緣體-半導體系統(簡寫為 MIS)系統的三層結構如圖1所示。如絕緣層採用氧化物,則稱為金屬-氧化物-半導體(簡寫為MOS)系統。矽片上生長一層薄氧化膜后再覆蓋一層鋁,就是最常見的MOS結構。60年代以來MIS系統無論在技術應用方面還是在物理研究方面都有著十分特殊的作用。

1 金屬-絕緣體-半導體系統 -金屬-絕緣體-半導體系統

 

2 金屬-絕緣體-半導體系統 -正文


金屬-絕緣體-半導體系統金屬-絕緣體-半導體系統
 
金屬-絕緣體-半導體系統金屬-絕緣體-半導體系統
當半導體襯底接地,金屬層(通常稱為柵極)上施加電壓時,半導體表面形成電荷層。以P型半導體襯底為例,當柵壓為負,它會吸引空穴到半導體表面,使表面形成帶正電荷的空穴積累層;當柵壓為正,它既有把多數載流子空穴從P型半導體表面排斥走的作用,又有吸引少數載流子電子到半導體表面的作用。當正柵壓較小時,主要是空穴被排斥走,形成帶負電荷的耗盡層,負電荷來源於電離的受主,這時雖然也有電子被吸引到表面,但為數尚少。當正柵壓增大到超過一定的閾值電壓,吸引到表面的電子濃度迅速增大,在表面形成電子導電層,因為其載流子和體內導電類型相反,因而稱為反型層。反型層與襯底之間被耗盡層隔開,如同PN結一樣,稱為場感應結。圖2中給出了與反型層情況相應的能帶圖。
  如果如圖3所示,在P型襯底的MOS系統中增加兩個N型區,分別稱為源(用S表示)區和漏(用D表示)區,這就是N溝道的MOS晶體管。當柵壓低於閾值電壓時,由於源區和漏區被P型區隔開,源和漏間相當於兩個背靠的PN結,因此,當源、漏間加一定電壓后,沒有明顯的電流,只有微量的PN結反向電流。但當柵極正電壓超過閾值電壓后,P型Si表面出現的反型層(N型層)把源區和漏區溝通,形成導電溝通。這時再在源、漏之間加一定的電壓,就會有明顯的電流流過。也就是說,通過控制柵壓的極性和數值,可以使MOS晶體管分別處於導通或截止的狀態,利用這一性質做成的MOS集成電路,可以實現各種邏輯功能。由於MOS集成電路具有工藝較簡單、結構尺寸較小、連線數目較少等優點,使之較易實現大規模集成,因而是當前大規模集成電路中最重要的類型之一。
金屬-絕緣體-半導體系統金屬-絕緣體-半導體系統
  MIS系統實際上構成一個電容器,金屬層和半導體襯底是它的兩個極板。它與一般電容器的區別在於電容值並不是恆定的,因而可以引入微分電容C(V),它是偏壓V的函數,這個函數關係稱為MIS電容器的C-V特性。根據絕緣層的厚度、半導體襯底的摻雜濃度,從理論上很容易計算出C-V曲線,而實際測量得到的C-V曲線總是偏離理想的情況。這是因為在實際的 MIS電容的絕緣層中往往存在有各種電荷和在絕緣體和半導體的界面附近存在有界面態。正因為如此,可以通過對實際C-V曲線的分析,研究絕緣層中電荷和界面態的性質。金屬-SiO2-Si系統是研究最多的MIS結構,其中主要的電荷形式有:可動離子電荷(例如Na+,K+)、Si-SiO2界面固定正電荷、輻射電離的陷阱和界面態。基於掩蔽作用和鈍化作用發展起來的硅平面技術,是目前最重要的半導體工藝技術,在這裡Si-SiO2系統成為半導體器件的基本組成部分。SiO2中的電荷以及Si-SiO2界面態,會影響器件的參數,特別是影響到器件長期使用的可靠性和穩定性。正是由於對金屬-SiO2-Si系統做了廣泛的研究,找到了減少以致消除各種電荷狀態不良影響的手段,才使得Si晶體管以及大規模集成電路得以有如此迅速的發展。
  MOS系統的表面反型層厚度為幾埃至幾十埃,因而可以把反型層中的電子看成是二維的電子氣。近年來其中豐富的物理現象引起了很多物理學家的興趣。特別是因為可以通過改變柵壓在同一樣品上使反型層中的電子濃度變化若干個數量級,為研究多電子效應隨濃度的變化提供了實驗數據。
  參考書目
 A. S.格羅夫著,齊建譯:《半導體器件物理與工藝》,科學出版社,北京,1976。(A.S.Grove,Physics and Technology of Semicondotor Device,John Wiley & Sons,New York,1967.)

 

3 金屬-絕緣體-半導體系統 -配圖

 

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