一文详解MOS电容器

导读

MOSFET是工业上应用最成功的固态器件，是构成高集成度的基本单元，而MOS电容器是MOSFET的核心，理解该电容器的特性是理解MOSFET工作原理的基础，因此本文主要对MOS电容器进行简单介绍，希望可以对此有一个概念上的理解。

MOS电容器结构如图1所示，它是MOSFET的核心，理解该电容器的特性是理解MOSFET工作原理的基础。MOS电容器中的金属电极为栅极（G），组成电容器的一极，衬底半导体是电容器的另一极，中间的氧化物为绝缘层，该绝缘层一般为二氧化硅，这样就形成了一个MOS电容器。做MOS电容器一极的P型半导体电阻率很高，电子空穴数量有限，当栅极在不同偏置情况下，衬底区可分为三种不同的情况，分别是堆积、耗尽和反型。

图1 基于P型硅的MOS电容器结构

堆积区

在栅极上施加相对衬底为负的偏置电压时，大量正带电荷的空穴被吸引到硅和氧化物层的交界面，以平衡栅极上的负电荷，导致表面空穴浓度超过衬底中原有的空穴浓度，称为多子堆积，此时的半导体表面称为堆积区，如图2所示。

图2 工作在堆积区的MOS电容器

耗尽区

在栅极上施加相对衬底为正的偏置电压，但是电压小于某一值（VTH）时，硅和氧化物层交界面附近的空穴浓度小于衬底中原有的空穴浓度，这种情况称为耗尽，相应的半导体区域称为耗尽区，如图3所示。耗尽区离化的受主负电荷平衡栅极上的正电荷，耗尽区的宽度w取决于外加电压和衬底的掺杂水平。

图3 工作在耗尽区的MOS电容器

反型区

在栅极上施加相对衬底为正的偏置电压，且大于VTH时，硅和氧化物层交界面附近的电子浓度超过空穴浓度，此时表面从P型转变为N型，即出现一个N型反型层。反型层的负电荷与耗尽层离化的受主负电荷一起平衡栅极上的正电荷。衬底表面反型层形成时的栅极电压称为阈值电压VTH，是MOSFET中的一个重要参数。

图4 工作在反型区的MOS电容器