12.14 : МОП-конденсатор

Конденсатор металл-оксид-полупроводник (МОП) представляет собой фундаментальную структуру, широко используемую в технологии полупроводниковых устройств, особенно при производстве интегральных схем и МОП-транзисторов (полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник). МОП-конденсатор состоит из трех слоев: металлического затвора, оксидного диэлектрика и полупроводниковой подложки.

Металлический затвор обычно изготавливается из материалов с высокой проводимостью, таких как алюминий или поликремний. Под металлическим затвором находится тонкий слой изолирующего оксида, обычно диоксида кремния (SiO₂), который является диэлектриком. Полупроводниковая подложка обычно представляет собой кремний, который может быть либо p-типа, либо n-типа.

Когда к металлическому затвору прикладывается напряжение, оно влияет на распределение носителей электрического тока в полупроводнике. Энергетические зоны полупроводника плоские при нулевом приложенном напряжении, что указывает на отсутствие избыточного заряда внутри оксида или на поверхности полупроводника. Поскольку напряжение на затворе увеличивается положительно, оно притягивает электроны к границе раздела оксида и полупроводника. Это создает накопление электронов в кремнии n-типа и обеднение дырок в кремнии p-типа, образуя обедненный слой.

Дальнейшее увеличение напряжения приводит к сильной инверсии, при которой поверхность полупроводника под оксидом меняет свой тип; например, p-тип становится n-типом, поскольку электроны становятся основными носителями. Этот инверсионный слой имеет решающее значение в работе МОП-транзисторов. Емкость МОП-структуры меняется в зависимости от напряжения, приложенного к затвору.

Инверсионный слой имеет решающее значение для работы МОП-конденсаторов в DRAM. Запись данных включает в себя приложение напряжения, которое создает этот слой, и сохранение заряда в полупроводнике. Этот сохраненный заряд представляет собой двоичные данные, что позволяет хранить и извлекать информацию. Снятие напряжения приводит к рассеиванию заряда, деактивации канала и сохранению сохраненных данных. Этот цикл зарядки имеет решающее значение для функциональности и надежности DRAM в вычислительных приложениях.