2004年07月22日

理想MOS構造

予告通り今回からMOSに入る。

今まで散々プロセスの説明でやったのでMOSに関する説明は省略する。

では、PNダイオードの時と同じように、まずMOSを作ったときのバンド構造がどうなるかを見ていく。以下の図を見てもらおう。

理想MOS構造

左上の図にごちゃごちゃ書いてあるものから説明していこう。ギリシャ文字でプサイとかファイとか書いてあるのは、仕事関数と呼ばれるもので、真空準位からの仕事量になっている。これは、最初は全くよくわからんが、原子などから見て遠く遠いはるかかなたの真空中から電子を持ってくるための仕事量ってな感じで適当にイメージしとけばよい。

これらの仕事関数は教科書などで一通りでてくるけれど、まあほとんど忘れてもらってかまわない。ただ一つ真性半導体のフェルミレベルEiとそのときの半導体のフェルミレベルEfsの差であるqψだけはこれから何回もでてくるので、覚えておく必要がある。

バンド構造に関しては今まで何回もやったので特に説明は要らないであろう。

それでは、今回の本題に移ろう。
図の上に理想MOS構造と一般的なMOS構造って書いてあるが、これはどういうことかというと、理想MOS構造ではMetal側のフェルミレベルEfmとSemiconductor側のフェルミレベルEfsが同じだってことだ。半導体にSi、MetalにPoly SiやAlなどを使った一般的なMOS構造ではMetal側と半導体側のフェルミレベルが一致するってことはまずない。だから理想なのである。

でも、MOSキャパシタの特性やMOSトランジスタの特性を考察したりする場合にはこの理想MOS構造を使って考える。そうしないと余計なパラメータが入ってきていろいろと面倒になるからだ。

図の上側はMOSがくっつく前のばらばらの状態でのバンド構造を示しているが、くっついて一つの物質になったときのバンド構造は下図のようになる。理想MOS構造では何のことはない全く変わらない。

しかし、一般的なMOS構造の場合は図のようにバンドが曲がってしまう。Oxideのところもひし形になっている。実際のデバイスではこうなるのだが、理屈を考えるときにはちとややこしい。このあとゲートにバイアスをかけたりするのだが、そこでわざわざバンドを曲げるのにこれでは最初から曲がっている。

ちなみに、Poly Siをn型にするとかp型にするってのは、このゲートによる初期状態でのバンドの曲がりを使うトランジスタにとって都合よくするためである。おいおいその理由が分かるであろう

とまあ、こんなわけで理想MOS構造ってのを使って考えることになる。

教科書の中にはMOSキャパシタのことをMOSダイオードと呼んでいたり、MOSじゃなくてMIS(こっちのほうが広義だからね)って呼んでいるものが多いが、ここではMOSとMOSキャパシタで統一することにする。少なくとも現場じゃあMISなんていわないし、MOSダイオードなんていわないからね。でも、デバイス系の大学の研究室あがりとか、公的に近いところの研究所などで働いていた人などはMOSダイオードって普通に言ったりしているのを聞いたことがあるから、そっち方面の現場は分からない。まあ、メーカーの現場や工場ではそうだってことにして、MOSとMOSキャパシタにする。

とまあ、さわりはこんなところで、今回は終了。次回はバイアスをかけるとどうなるか、かな?
posted by ピッコロ大魔王 at 09:51| Comment(10) | TrackBack(1) | 物理 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
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