電樞繞組

[拼音]：jinshu-yanghuawu-bandaoti jiegou

[英文]：metal-oxide-semiconductor structure

在半導體襯底的表面生長或澱積一層絕緣薄膜，其上再覆蓋一定面積的(如直徑為幾百微米到 1毫米的圓)導電層，便形成金屬-絕緣體-半導體結構，其中最典型的是金屬-氧化物-半導體結構(圖1)，又稱MOS結構。

MOS結構是 1959年作為一種半導體可變電容器提出來的，後成為研究半導體與絕緣膜的介面、半導體表面層和絕緣膜中電子行為的一種重要結構。在此結構的基礎上，已研製出多種器件，其中最重要的是 MOS場效應電晶體，它是MOS大規模積體電路的基礎（見晶體三極體、金屬-氧化物-半導體積體電路）。

基本原理

與金屬的情況不同，半導體的載流子密度較低，外電場可伸入半導體表面一定深度。根據電場方向的不同，可吸引體內多數載流子到半導體表面層，使表面多數載流子密度增高，形成表面積累層；也可排斥多數載流子，形成載流子的表面耗盡層。在後一種情況，當落在半導體表面層內的電壓降足夠大時，則在加上外電場的瞬間，耗盡層很深，稱為深耗盡。隨後，由於熱產生的少數載流子被電場吸引到表面層，在表面累積而遮蔽電場，一方面使耗盡層厚度逐漸減小，一方面在表面形成與體內導電型別不同的表面反型層。在 MOS結構中，通過在金屬層與半導體襯底之間加上極性和大小不同的電壓，便能使半導體表面發生從累積到耗盡、到反型的連續性變化。圖2為三種情況下的MOS結構的一維能帶。

C(u)特性

圖1中的結構實際上是一個電容器， 稱為 MOS電容器。 其電容值C 隨外加偏壓而變(圖3a 和b)。MOS電容可看作是由氧化層電容C

和半導體表面空間電荷層電容串聯而成。在累積層區，半導體表面載流子濃度極大，體內沒有空間電荷區，類似金屬平行板電容器，其值C＝C

與偏壓無關。偏壓使表面進入耗盡區後，隨耗盡深度增加，耗盡層電容CD減小，所以 C(u)下降。進入反型區以後分為兩種情形：

（1）高頻測試（一般為 1～10兆赫），少數載流子的產生──複合跟不上訊號變化，而偏壓大時，CD又是不隨偏壓變化的，所以C=Cmin，也與偏壓無關（圖3a）；

（2）準靜態測試：訊號頻率極低，少數載流子的產生──複合能跟上訊號變化，這又與金屬平行板電容的情形相似，所以得到C＝C

(圖3b)。實際上，由於存在金屬與半導體的接觸電位差和氧化層中的電荷，圖3中的C(u)曲線可沿u軸平移；而Si/SiO2之間的介面電子態則會使C(u)的形狀（主要在耗盡區和其附近兩端）發生畸變（偏離理論曲線）。此外，如果偏壓用一階躍電壓，直接由累積區偏置到反型區，則因瞬時形成深耗盡，使CD減小，從而使C也減小，隨後由於少數載流子的產生，C才逐漸回到對應於圖3的穩定值。這種 MOS電容的馳豫過程，稱 MOS電容的C(t)特性。這個特性顯然與半導體中少數載流子的產生率有關。

應用

利用MOS電容高頻 C(u)測試可以測定半導體表面層雜質濃度及其分佈，氧化層電荷的密度及其運動規律和介面態密度；準靜態C(u)測試是研究介面電子態的一種較準確的方法；MOS電容 C(u)測試對於研究介面態和氧化層中的電荷行為也很有效；MOS電容 C(t)研究則可給出半導體表層和介面態的少數載流子產生複合的有關引數。MOS電容是電荷耦合器件的基本單元，後者有廣泛的用途。利用MOS電容 C(t)對光輻照敏感的原理已製成靈敏度很高的紅外探測器。MOS場效應電晶體除用在MOS積體電路外，作為分立元件，在微波大功率應用中也很有特點。利用這種場效應器件結構，通過選用相應的柵電極，已製造出包括對一些特種氣體(如H2、CO2等)敏感的化學感測器。MOS場效應結構對於研究二維電子氣效應極為有利。二維電子氣效應又為 MOS結構的進一步應用開闢了新的前景。

參考書目

王家驊等編著：《半導體器件物理》，科學出版社，北京，1983。

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 Technologyof Semiconductor Devices，Wiley， New York，1967.)