12.14 : MOS-Kondensator

Ein Metalloxid-Halbleiter-Kondensator (MOS) ist eine grundlegende Struktur, die in der Halbleiterbauelementtechnologie häufig verwendet wird, insbesondere bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen und MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren). Der MOS-Kondensator besteht aus drei Schichten: einem Metallgate, einem dielektrischen Oxid und einem Halbleitersubstrat.

Das Metallgate besteht normalerweise aus hochleitfähigen Materialien wie Aluminium oder Polysilizium. Unter dem Metallgate liegt eine dünne Schicht aus isolierendem Oxid, normalerweise Siliziumdioxid (SiO_2), das das Dielektrikum darstellt. Das Halbleitersubstrat besteht normalerweise aus Silizium, das entweder p-Typ oder n-Typ sein kann.

Wenn eine Spannung an das Metallgate angelegt wird, beeinflusst dies die Verteilung der elektrischen Ladungsträger im Halbleiter. Die Energiebänder des Halbleiters sind bei angelegter Nullspannung flach, was darauf hinweist, dass keine überschüssige Ladung innerhalb des Oxids oder an der Halbleiteroberfläche vorhanden ist. Wenn die Gate-Spannung positiv erhöht wird, zieht sie Elektronen zur Schnittstelle zwischen dem Oxid und dem Halbleiter. Dies führt zu einer Ansammlung von Elektronen in n-Typ-Silizium und einer Verarmung von Löchern in p-Typ-Silizium, wodurch die Verarmungsschicht gebildet wird.

Eine weitere Erhöhung der Spannung führt zu einer starken Inversion, bei der die Halbleiteroberfläche unter dem Oxid ihren Typ ändert; beispielsweise wird ein p-Typ zu einem n-Typ, da Elektronen die Mehrheitsträger werden. Diese Inversionsschicht ist für den Betrieb von MOSFETs von entscheidender Bedeutung. Die Kapazität der MOS-Struktur variiert mit der an das Gate angelegten Spannung.

Die Inversionsschicht ist entscheidend für die Funktion von MOS-Kondensatoren in DRAMs. Beim Schreiben von Daten wird eine Spannung angelegt, die diese Schicht erzeugt und die Ladung im Halbleiter speichert. Diese gespeicherte Ladung stellt binäre Daten dar und ermöglicht das Speichern und Abrufen von Informationen. Durch Entfernen der Spannung wird die Ladung abgeführt, wodurch der Kanal deaktiviert und die gespeicherten Daten erhalten bleiben. Dieser Ladezyklus ist für die Funktionalität und Zuverlässigkeit von DRAM in Computeranwendungen von zentraler Bedeutung.