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MOS电容的基本架构详解

MOSFET结构的核心是金属-氧化物-半导体电容，即MOS电容 。MOS电容自身并不是一种广泛应用的器件，但是却是整个MOS晶体管的核心单元 。MOS中的金属最初是铝，现在大多数情况被沉积在氧化物上的多晶硅代替 。MOS电容的基本架构如下所示 。

MOS电容的基本架构详解
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【MOS电容的基本架构详解】 图中，tox是氧化物的厚度，εox为氧化物的介电常数 。MOS电容的物理特性可以借助于常见的平板电容来理解 。下图是P型半导体的MOS电容结构，顶端的金属，称为门极，相对于基底的P型半导体施加负向偏置电压 。门极的金属端将聚集负电荷，同时呈现出如图中箭头所示方向的电场 。

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如果电场穿透半导体区域，P型半导体中的空穴会在电场力的作用下向氧化物-半导体界面移动 。稳定状态下的电子空穴分布如下图所示，在氧化物-半导体的界面形成了带正电的空穴聚集层，而在金属端即门极形成了电子的聚集层，这和平板电容形成电场的机制相同 。这也是MOS电容形成的机理 。

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接下来将加载在MOS电容的偏置电压反向，如下图所示 。在门极端聚集了正电荷，激发的电场方向发生了反转 。在这种状况下，如果电场强度穿透半导体区域，那么P型半导体中的空穴受到电场力的作用而远离氧化物-半导体界面 。

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空穴被驱离，从而在氧化物-半导体界面处形成负电荷的空间电荷层 。门极施加的电压值越高，感应电场越强 。作为少子的自由电子被吸引到氧化物-半导体的交界处，如下图所示 。形成少子载流子电子的区域称为电子反转层 。

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N型半导体形成的MOS电容机制与P型半导体相类似 。下图是N型半导体MOS电容的结构示意图，在门级施加正向偏置电压时，在门级产生正电荷，感应产生出相应的电场；同时在氧化物-半导体界面处产生电子聚集层 。

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当在N型MOS电容的门极施加反向偏置电压时，感应电场在N型半导体的基底区域感应出正的空间电荷区 。当施加的电压增加时，在氧化物-半导体界面处产生正电荷区域，称为空穴反转区 。

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需要施加一定的电压才能产生电荷反转区的特性称为增强模式 。N型半导体基底的MOS电容需要在门极施加负电压才能形成反转区，而P型半导体基底的MOS电容需要在门极施加正电压 。
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