16. MOS Fundamentals

끄적임/공부

16. MOS Fundamentals

마이코믹발렌타인 2018. 12. 24. 14:07

Metal-Oxide(SiO2)-Semiconductor; MOS structure

Ideal MOS structure has..

(1) the metallic gate is sufficiently thick → equipotential region under ac and dc bias

(2) the oxide is a perfect insulator with zero current flowing

(3) no charge center located in oxide or at oxide-semiconductor inteface

(4) uniformly doped

(5) semiconductor is sufficiently thick, regardless of the applied gate potential field free region(bulk) exist

(6) ohmic contact

(7) the MOS-C is one dimensional structure

(8)

oxide : 10nm ~1um

자유전자 ∞, (equipotential)

16.2.1. Energy Band Diagram

block charge diagram(approximate charge distribution)

equilibrium 일때는 어디에도 charge가 존재하지 않는다.

bias voltage가 가해졌을때에는 interface에 charge 존재

MS의 work function이 동일하니 전하의 이동 없음..

General Observations

먼저, 반도체의 fermi 준위는 게이트 전압이 0이 아닐때 바이어스 전압에 영향을 받지 않고 x에 좌우되지 않는다.

왜냐하면 구조 내부에 zero current flow라고 가정했기 때문에..

metal의 fermi 준위는 게이트 전압이 양수이면 아래로 내려가고, 음수이면 위로 올라간다. 이로 인해 band의 모양이 바뀜

oxide의 에너지 밴드는 게이트 전압이 양수일때 증가하는 양의 기울기, 게이트 전압이 음수이면 감소하는 음의 기울기

Specific Biasing Regions

(n-type substrate)

(a) 양의 게이트 전압

Accumulation : majority carrier concentration is greater near the oxide-semiconductor interface than bulk..

(b) small 음의 게이트 전압

Depletion : the electron and the hole concentrations at the oxide-semiconductor interface are less than the background doping concentration(NA, ND)

metal의 fermi 준위를 높이기 때문에 음의 기울기를 갖게 된다. charge를 보면, 음의 게이트 전압으로 metal쪽에는 음의 전하가 있고, 이로 인해 oxide-semiconductor interface에 있는 전하가 뒤로 밀리게 되면서 그 자리에 있는 양의 donor가 드러나게 된다.

밴드는 점점 더 위로 올라가게 된다.

(d) threshold 이상의 큰 음의 게이트 전압

Inversion : the minority carrier concentration at the surface exceeds the bulk majority carrier concentration

"On-set of inversion"에서 게이트 전압이 딱 threshold전압일 때, bias를 더 키웠을 때 W가 조금만 커져도 h+의 농도가 exp하게 증가. W에 sensitive하다. 기울기는 다 똑같아야 한다. 그대로 증가. 그래서 W커짐