固体物理学_黄昆_第七章 半导体电子论_20050406
§7.7 金属－绝缘体－半导体和MOS反型层
MIS体系：金属－绝缘体－半导体 —— Metal Insulator Semiconductor
MOS体系：金属－氧化物－半导体 —— Metal Oxide Semiconductor
—— 是MIS结构的一种特殊形式
MOS有着许多主要的应用
1） 绝缘栅场效应管：存储信息
2） 集成电路：计算机RAM
3） 电荷耦合器件：CCD —— 存储信号、转换信号
MIS体系的机理
如图XCH007_015所示，金属层——栅极，半导体接地，两者之间为氧化物（SiO
2
~100nm）。以P型
半导体为例进行讨论。
在栅极施加电压为负时，半导体中的空穴被吸收到半导体表面，并在表面处形成带正电荷的空穴积
累层。如图XCH007_015_01所示。
在栅极施加电压为正时，半导体中的多数载流子——空穴被排斥离开半导体表面，而少数载流子—
—电离的受主电子则被吸收表面处。如图XCH007_015_02所示。
—— 当电压较小时，表现为空穴被排斥而在表面处形成负电荷的耗尽层，带负电的电子为屏蔽栅极
正电压，耗尽层具有一定的厚度d ~微米量级 —— 称为空间电荷区。
如图XCH007_016_01所示。空间电荷区存在电场，使该区域电子的能带发生弯曲，对空穴来说形成
一个势垒。
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半导体表面 —— 相对于体内0x = x d>的电势差称为表面势：。如图XCH007_016_02所示。
S
V
当栅极正电压增大时，表面势进一步增大，如图XCH007_017所示。当表面势足够大时，有可能使
表面处的费密能级进入带隙的上半部，此时空间电荷区电子的浓度将要超过空穴的浓度，从而形成
电子导电层。如图XCH007_015_03所示
空间电荷区的载流子主要为电子，半导体内部的载流子为空穴，因此将该层称为反型层。
形成反型层时的能带如图XCH007_017所示。是半导体的本征费密能级（或体内费密能级），
是表面处的费密能级。当在之上时，电子的浓度大于空穴的浓度，两者相等时，电子和空穴
的浓度相等，当在之下时，电子的浓度小于空穴的浓度。
i
E
F
E
F
E
i
E
F
E
i
E
形成反型层的条件
费密能级从体内之下变成表面时，即在之上，两者之差满足：
F
E
i
E
i
E
F
qV
FiF
EEqV ?=
一般形成反型层的条件：)(22
FiFi
EEqVqV ?=≥——此时表面处电子的浓度增加到等于或超过
体内空穴的浓度。
N沟道的形成
反型层中的电子，一边是绝缘层—— 导带比半导体高出许多，另一边则是空间电荷区电场形成的势
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垒，电子实际上被限制在表面附近能量最低的一个狭窄的区域，有时将反型层称为沟道。
P型半导体的表面反型层是电子构成的，称为N沟道。
N沟道晶体管
如图XCH007_018_02所示，在P型衬底的MOS体系中
增加两个N型扩散区——源区S和漏区D，构成N沟
道晶体管。
1) 一般情况下（栅极正向电压很小），源区S和漏区D
被P型区隔开，即使在SD之间施加一定的电压，由于
SP和DP区构成两个反向结 —— 只有微弱的
反向结电流。
PN PN
2) 如果栅极电压达到或超过一定的阈值，在P型半导体
和氧化物表面处形成反型层——电子的浓度大于体内空穴的浓度，反型层将源区S和漏区D连接起
来，此时在SD施加一个电压，则会有明显的电流产生。
3) 通过控制栅极电压的极性和数值，使MOS晶体管处于导通和截止状态，源区S和漏区D之间的
电流受到栅极电压的调制 —— 集成电路应用。
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