12.14 : Kondensator MOS

Kondensator metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowy (MOS) to podstawowa konstrukcja szeroko stosowana w technologii urządzeń półprzewodnikowych, szczególnie przy produkcji układów scalonych i tranzystorów MOSFET (tranzystory polowe z efektem metalo-tlenku-półprzewodnika). Kondensator MOS składa się z trzech warstw: metalowej bramki, tlenku dielektrycznego i podłoża półprzewodnikowego.

Bramka metalowa jest zwykle wykonana z materiałów o wysokiej przewodności, takich jak aluminium lub polikrzem. Pod metalową bramką znajduje się cienka warstwa izolującego tlenku, zwykle dwutlenku krzemu (SiO_2), który jest dielektrykiem. Podłoże półprzewodnika jest zwykle krzemem, który może być typu p lub n.

Kiedy do metalowej bramki przyłożone jest napięcie, wpływa to na rozkład nośników elektrycznych w półprzewodniku. Pasma energii półprzewodnika są płaskie przy zerowym przyłożonym napięciu, co wskazuje na brak nadmiernego ładunku w tlenku lub na powierzchni półprzewodnika. Gdy napięcie bramki wzrasta dodatnio, przyciąga elektrony w kierunku granicy tlenku i półprzewodnika. Powoduje to akumulację elektronów w krzemie typu n i zubożenie dziur w krzemie typu p, tworząc warstwę zubożoną.

Dalszy wzrost napięcia prowadzi do silnej inwersji, podczas której powierzchnia półprzewodnika pod tlenkiem zmienia swój rodzaj; na przykład typ p staje się typem n, ponieważ elektrony stają się nośnikami większościowymi. Ta warstwa inwersyjna ma kluczowe znaczenie w działaniu tranzystorów MOSFET. Pojemność struktury MOS zmienia się w zależności od napięcia przyłożonego do bramki.

Warstwa inwersyjna ma kluczowe znaczenie dla działania kondensatorów MOS w pamięci DRAM. Zapisywanie danych polega na przyłożeniu napięcia tworzącego tę warstwę i magazynowaniu ładunku w półprzewodniku. Ten przechowywany ładunek reprezentuje dane binarne, umożliwiające przechowywanie i odzyskiwanie informacji. Usunięcie napięcia powoduje rozproszenie ładunku, dezaktywację kanału i zachowanie przechowywanych danych. Ten cykl ładowania ma kluczowe znaczenie dla funkcjonalności i niezawodności pamięci DRAM w zastosowaniach komputerowych.