Struktura metal-izolator-półprzewodnik

Konstrukcja MIS (metal / SiO 2 / p-Si) w pionowym kondensatorze MIS

Metalu izolator półprzewodnikowej struktury (ang. Metal izolator półprzewodnikowy krótkie MIS ) tworzy podstawę dla wielości elementów w mikroelektronice, na przykład. B. tranzystory polowe , czujniki CCD , co z kolei skutkuje rozszerzonymi aplikacjami, z. . B. Mikroprocesory .

Struktura składa się z nośnika (głównie czystego krzemu ) i metalowej warstwy na wierzchu. Te dwie warstwy są oddzielone cienką warstwą izolatora. Tworzy się kondensator. Obecnie (2008) jako izolatory stosuje się głównie dwutlenek krzemu , rzadziej azotek krzemu . Ponieważ tlenek (dwutlenek krzemu, SiO 2 ) jest używany jako izolator, mówi się również o strukturach MOS. Typowe przykłady zastosowań to kondensator MIS i tranzystor polowy MOS .

Warunki pracy

Struktura MIS jest zasadniczą częścią tranzystora MIS, metalowe połączenie odpowiadające elektrodzie bramkowej w tranzystorze MIS i półprzewodnik odpowiadający podłożu . Napięcie bramki to różnica potencjałów spadająca od bramki do połączenia podłoża. Ponadto w izolatorze znajdują się w większości dodatnie nośniki ładunku, które są w dużej mierze niezależne od napięcia zewnętrznego i należy je uwzględnić przy wymiarowaniu komponentów.

W zależności od przyłożonego napięcia rozróżnia się następujące stany (wszystkie dane dotyczą podłoża z domieszką p ):

Równowaga termodynamiczna
Jeśli nie ma napięcia bramki ( ), ładunki na ogół znajdują się już wewnątrz konstrukcji. Podobnie jak w przypadku diody Schottky'ego , różne poziomy Fermiego są równoważone w równowadze termicznej , co prowadzi do różnicy napięć znanej jako potencjał kontaktowy . Ponieważ poziom Fermiego w metalu jest ogólnie wyższy niż w półprzewodniku, ładunki dodatnie tworzą się na granicy między metalem a izolatorem, a ładunki ujemne powstają na granicy między izolatorem i półprzewodnikiem. Ponieważ gęstość nośnika ładunku w półprzewodniku w stosunku do metalu jest stosunkowo niska, powstaje kosmiczna strefa ładunku . Spadek napięcia w strukturze MIS jest podzielony liniowo na tlenek i kwadratowo na strefę ładunku kosmicznego.
Etui na wstążkę
Jeśli potencjał styku i spadek napięcia na tlenku są zrównoważone przez pewne słabe napięcie polaryzacji, strefa ładunku kosmicznego znika i mówi się o spadku w paśmie płaskim i przyłożonym napięciu w paśmie płaskim . Nazwa wzięła się stąd, że w modelu wstążkowym nie można rozpoznać żadnej krzywizny. Znak i wielkość napięcia wymaganego dla obudowy płaskiej taśmy zależy od materiału bramki, a także od użytego półprzewodnika.
wzbogacenie
Przy dużym ujemnym naprężeniu ( ) większość nośników ładunku gromadzi się na powierzchni półprzewodnika (interfejs półprzewodnik-izolator). Ten stan nazywamy wzbogacaniem (akumulacją).
Zubożenie
Wzrost przyłożonego napięcia powyżej napięcia pasma płaskiego ( ) prowadzi do zmniejszenia większości nośników ładunku na styku półprzewodnik-izolator, stan ten określany jest mianem zubożenia ( zubożenia ). W procesie tym zwiększa się pionowo uformowana strefa ładunku kosmicznego w krzemie.
inwersja
Gdy tylko gęstość mniejszościowa przekroczy gęstość większościową na granicy półprzewodnik-izolator z powodu przyłożonego napięcia, mówi się o inwersji . Rozróżnia się słabą inwersję i silną inwersję . W przypadku silnej inwersji w półprzewodniku na granicy z izolatorem powstaje kanał elektronowy, w którym możliwe jest n-przewodnictwo. Ten efekt jest używany w tranzystorze MIS. Ładunek elektronów w kanale elektronowym zmniejsza pionowo uformowane strefy ładunku przestrzennego w porównaniu z przypadkiem zubożenia.

literatura

  • Ekbert Hering, Klaus Bressler, Jürgen Gutekunst: Elektronika dla inżynierów i naukowców. Springer-Verlag 2014, ISBN 3-642-05499-4 , s. 132.

linki internetowe