什么是金属-氧化物-半导体结构?

什么是金属-氧化物-半导体结构?

[拼音]：jinshu-yanghuawu-bandaoti jiegou

[外文]：metal-oxide-semiconductor structure

在半导体衬底的表面生长或淀积一层绝缘薄膜，其上再覆盖一定面积的(如直径为几百微米到 1毫米的圆)导电层，便形成金属-绝缘体-半导体结构，其中最典型的是金属-氧化物-半导体结构(图1)，又称MOS结构。

MOS结构是 1959年作为一种半导体可变电容器提出来的，后成为研究半导体与绝缘膜的界面、半导体表面层和绝缘膜中电子行为的一种重要结构。在此结构的基础上，已研制出多种器件，其中最重要的是 MOS场效应晶体管，它是MOS大规模集成电路的基础（见晶体三极管、金属-氧化物-半导体集成电路）。

基本原理

与金属的情况不同，半导体的载流子密度较低，外电场可伸入半导体表面一定深度。根据电场方向的不同，可吸引体内多数载流子到半导体表面层，使表面多数载流子密度增高，形成表面积累层；也可排斥多数载流子，形成载流子的表面耗尽层。在后一种情况，当落在半导体表面层内的电压降足够大时，则在加上外电场的瞬间，耗尽层很深，称为深耗尽。随后，由于热产生的少数载流子被电场吸引到表面层，在表面累积而屏蔽电场，一方面使耗尽层厚度逐渐减小，一方面在表面形成与体内导电类型不同的表面反型层。在 MOS结构中，通过在金属层与半导体衬底之间加上极性和大小不同的电压，便能使半导体表面发生从累积到耗尽、到反型的连续性变化。图2为三种情况下的MOS结构的一维能带。

C(u)特性

图1中的结构实际上是一个电容器， 称为 MOS电容器。 其电容值C 随外加偏压而变(图3a 和b)。MOS电容可看作是由氧化层电容C


和半导体表面空间电荷层电容串联而成。在累积层区，半导体表面载流子浓度极大，体内没有空间电荷区，类似金属平行板电容器，其值C＝C


与偏压无关。偏压使表面进入耗尽区后，随耗尽深度增加，耗尽层电容CD减小，所以 C(u)下降。进入反型区以后分为两种情形：

（1）高频测试（一般为 1～10兆赫），少数载流子的产生──复合跟不上信号变化，而偏压大时，CD又是不随偏压变化的，所以C=Cmin，也与偏压无关（图3a）；

（2）准静态测试：信号频率极低，少数载流子的产生──复合能跟上信号变化，这又与金属平行板电容的情形相似，所以得到C＝C


(图3b)。实际上，由于存在金属与半导体的接触电位差和氧化层中的电荷，图3中的C(u)曲线可沿u轴平移；而Si/SiO2之间的界面电子态则会使C(u)的形状（主要在耗尽区和其附近两端）发生畸变（偏离理论曲线）。此外，如果偏压用一阶跃电压，直接由累积区偏置到反型区，则因瞬时形成深耗尽，使CD减小，从而使C也减小，随后由于少数载流子的产生，C才逐渐回到对应于图3的稳定值。这种 MOS电容的驰豫过程，称 MOS电容的C(t)特性。这个特性显然与半导体中少数载流子的产生率有关。

应用

利用MOS电容高频 C(u)测试可以测定半导体表面层杂质浓度及其分布，氧化层电荷的密度及其运动规律和界面态密度；准静态C(u)测试是研究界面电子态的一种较准确的方法；MOS电容 C(u)测试对于研究界面态和氧化层中的电荷行为也很有效；MOS电容 C(t)研究则可给出半导体表层和界面态的少数载流子产生复合的有关参数。MOS电容是电荷耦合器件的基本单元，后者有广泛的用途。利用MOS电容 C(t)对光辐照敏感的原理已制成灵敏度很高的红外探测器。MOS场效应晶体管除用在MOS集成电路外，作为分立元件，在微波大功率应用中也很有特点。利用这种场效应器件结构，通过选用相应的栅电极，已制造出包括对一些特种气体(如H2、CO2等)敏感的化学传感器。MOS场效应结构对于研究二维电子气效应极为有利。二维电子气效应又为 MOS结构的进一步应用开辟了新的前景。

参考书目

王家骅等编著：《半导体器件物理》，科学出版社，北京，1983。A.S.格罗夫著，齐建译：《半导体器件物理与工艺》，科学出版社，北京，1976。(A.S. Grove，Physics and Technology of Semiconductor Devices，Wiley， New York，1967.)