12.14 : condensatore MOS

Un condensatore a semiconduttore a ossido di metallo (MOS), è una struttura fondamentale ampiamente utilizzata nella tecnologia dei dispositivi a semiconduttore, in particolare nella fabbricazione di circuiti integrati e MOSFET (transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo). Il condensatore MOS è costituito da tre strati: un gate metallico, un ossido dielettrico e un substrato semiconduttore.

Il gate in metallo è generalmente realizzato con materiali altamente conduttivi come alluminio o polisilicio. Sotto il gate metallico si trova un sottile strato di ossido isolante, solitamente biossido di silicio (SiO₂), che costituisce il dielettrico. Il substrato semiconduttore è comunemente silicio, che può essere di tipo p, o di tipo n.

Quando viene applicata una tensione al gate metallico, questa influenza la distribuzione dei portatori elettrici nel semiconduttore. Le bande energetiche del semiconduttore sono piatte a tensione applicata pari a zero, indicando l'assenza di carica in eccesso all'interno dell'ossido o sulla superficie del semiconduttore. Quando la tensione di gate viene aumentata positivamente, attira gli elettroni verso l'interfaccia tra l'ossido e il semiconduttore. Ciò crea un accumulo di elettroni nel silicio di tipo n e un esaurimento delle lacune nel silicio di tipo p, formando lo strato di esaurimento.

Un ulteriore aumento della tensione porta ad una forte inversione, dove la superficie del semiconduttore sotto l'ossido cambia tipologia; per esempio, un tipo p diventa un tipo n, poiché gli elettroni diventano i portatori maggioritari. Questo strato di inversione è fondamentale nel funzionamento dei MOSFET. La capacità della struttura MOS varia con la tensione applicata al gate.

Lo strato di inversione è fondamentale per il funzionamento dei condensatori MOS nella DRAM. La scrittura dei dati comporta l'applicazione di una tensione che crei questo strato e l'immagazzinamento della carica nel semiconduttore. Questa carica immagazzinata, rappresenta i dati binari, consentendo l'archiviazione e il recupero delle informazioni. La rimozione della tensione provoca la dissipazione della carica, disattivando il canale e preservando i dati memorizzati. Questo ciclo di carica è fondamentale per la funzionalità e l'affidabilità della DRAM nelle applicazioni informatiche.