金氧半电容

✍ dations ◷ 2025-12-01 21:39:59 #半导体元件,电子工程

金氧半电容（金属氧化物半导体电容或 Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor 或 MOSC）是一种常见的两端控制的半导体元件，在1960年代已在实验室被实做出来。金氧半电容是由金属作为闸极（虽然在工艺界常用多晶硅，近年来才改为金属），在金属和半导体间以氧化物作为介电层以绝缘，氧化物通常是二氧化硅（SiO₂），因为二氧化硅可以直接由常见的硅基板通过加热生长，所得的界面陷阱（interface states）特性也会比较好。半导体的部分通常是硅，也就是常说的硅晶圆，目前一些三五族材料也被用于金氧半元件的基板中以改进载子的传输特性。

金氧半电容的基本元件示意图如右。在不同的闸极偏压（）会有不同的能带结构，在金氧半电容中分成四个部分讨论，分别是累积区、平能带区、空乏区以及反转区。以下以P型硅基板（电子和电洞分别为少数和多数载子）的金氧半电容为例：

值得注意的是，上述理论乃是考虑闸极方向漏电流可忽略的情况，当考虑漏电流的发生（即在元件使用小于3奈米的超薄氧化层），电子或电洞就不易大量累积，因此累积区和反转区电容就与上述的不同了。累积区的电容会因为偏压的增负而由峰值逐渐减小，此效应是由于漏电流加上基板的串联电阻而成。反转区电容则会因为漏电流而进入深空乏（deep depletion），少数载子仅能透过热激发（thermal generation）产生，因此当偏压逐渐变正，空乏区仍然继续延伸，因此得名。另外，在空乏区的漏电流特性，金氧半电容和金氧半场效晶体管有很大的不同，由于金氧半电容的空乏区电子的累积会受控于热激发，所以漏电流会逐间趋向饱和（以log scale），然而，在金氧半场效晶体管中，因为有汲极和源极可补充少数载子（汲极和源极跟基板的电极性不同），所以漏电流会远大于金氧半电容数个数量级，而且高低频电容皆会回复到氧化层电容（不考虑poly-depletion）。

金氧半电容有诸多的应用。金氧半电容结构可用于分析氧化层内的缺陷特性、氧化层和半导体间的界面品质、载子寿命（lifetime）以及估计氧化层之电性厚度（electrical thickness）。通过量测金氧半电容的电容-电压曲线（Capacitance-Voltage Curve），在不同的偏压区域可得到不同的元件特性资讯，如在累积区（accumulation region）可得知氧化层之厚度。另外，借由量测闸极漏电流的特性，也可评估非平面之MOS边缘蚀刻所造成的缺陷情况。

在元件的应用方面，包括金氧半场效晶体管（MOSFET）、金氧半温度感测器（MOS Temperature Sensor）、金氧半光侦测器（MOS Photodiode or Photodetector）和双金氧半电容式穿隧晶体管（MOS Gated-MIS Tunnel Transistor）。

金氧半场效晶体管是由金氧半电容加上汲极（drain）和源极（source）形成的四端控制元件，汲极和源极可以离子布植（ion implantation）或热扩散来形成。通过施加闸极电压，可控制半导体的载子通道（channel）开关。在现今工艺中，由于元件尺寸的微缩，闸极方向的漏电流日益重要，因此目前氧化物引进了高介电常数介电质（如二氧化铪）以增加氧化层的物理厚度（physical thickness）但不减少电容值（因为电容值会决定金氧半场效晶体管汲极电流大小）。详细介绍请参考金氧半场效晶体管条目。

金氧半温度感测器是利用超薄氧化层（小于3奈米）金氧半电容（结构为Al/SiO₂/p-Si）的闸极电流特性作为温度侦测。在P型基板超薄氧化层金氧半电容或MOS（p）中，空乏区的闸极电流主要由电洞电流主导，而电洞所见之等效萧基位障（Schottky Barrier Height）会被元件的侧向扩散电流（lateral diffusion current）所线性地调控，而侧向扩散电流又与温度相关，因此可依此特性来感测温度。

金氧半光侦测器亦是利用元件的侧向扩散电流来侦测入射光，因为入射光会在半导体区域激发出电子电洞对，造成扩散电流上升，最后调控电洞的萧基位障大小，改变了闸极电流。光侦测器的闸极电流可由下式所描述

其中 $I_{rg}$ $I_{rg}$ 为光在空乏区所激发的光电流， $I_{diff}$ $I_{diff}$ 是侧向扩散电流， $A^{*}$ $A^*$ 是具维度之电洞Richardson constant， $T {\displaystyle T}$ $T$ 是温度， $q {\displaystyle q}$ $q$ 是电子电量， $k {\displaystyle k}$ $k$ 是普朗克常数， $P_{t}$ $P_{t}$ 是电洞穿隧几率， $\phi _{Bp}^{*}$ $\phi _{Bp}^{*}$ 是电洞的等效萧基位障且会被侧向扩散电流线性调控。第三项系电洞之萧基二极管电流公式乘上电洞穿隧过氧化层的几率，由于第三项是指数相关，所以该项会主导电流的特性。

双金氧半电容式穿隧晶体管（MOS Gated-MIS Tunnel Transistor）是一种新型的穿隧式晶体管，其利用侧边金氧半元件偏压在平能带电压附近来控制侧边元件的电子浓度，进而调控侧向扩散电流使另一金氧半元件的穿隧电流增加，此种元件由于具双指数的调变性质，因此次临界斜率可突破传统MOSFET的60 mV/dec的限制，可达15.3 mV/dec之谱。

MOS Capacitors 页面存档备份，存于互联网档案馆

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