12.14 : Condensateur MOS

Un condensateur métal-oxyde-semiconducteur (MOS) est une structure fondamentale largement utilisée dans la technologie des dispositifs à semi-conducteurs, en particulier dans la fabrication de circuits intégrés et de MOSFET (transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur). Le condensateur MOS se compose de trois couches : une grille métallique, un oxyde diélectrique et un substrat semi-conducteur.

La grille métallique est généralement fabriquée à partir de matériaux hautement conducteurs tels que l'aluminium ou le polysilicium. Sous la grille métallique se trouve une fine couche d'oxyde isolant, généralement du dioxyde de silicium (SiO_₂), qui constitue le diélectrique. Le substrat semi-conducteur est généralement du silicium, qui peut être de type p ou de type n.

Lorsqu’une tension est appliquée à la grille métallique, elle influence la répartition des porteurs électriques dans le semi-conducteur. Les bandes d'énergie du semi-conducteur sont plates à tension appliquée nulle, ce qui indique l'absence de charge excessive à l'intérieur de l'oxyde ou à la surface du semi-conducteur. Lorsque la tension de grille augmente positivement, elle attire les électrons vers l’interface de l’oxyde et du semi-conducteur. Cela crée une accumulation d’électrons dans le silicium de type n et une diminution des trous dans le silicium de type p, formant ainsi la couche d’appauvrissement.

Une nouvelle augmentation de la tension conduit à une forte inversion, où la surface semi-conductrice située sous l'oxyde change de type ; par exemple, un type p devient un type n, à mesure que les électrons deviennent les porteurs majoritaires. Cette couche d'inversion est essentielle au fonctionnement des MOSFET. La capacité de la structure MOS varie en fonction de la tension appliquée à la grille.

La couche d'inversion est cruciale pour le fonctionnement des condensateurs MOS dans la DRAM. L'écriture de données consiste à appliquer une tension qui crée cette couche et à stocker la charge dans le semi-conducteur. Cette charge stockée représente des données binaires, permettant le stockage et la récupération d'informations. La suppression de la tension entraîne la dissipation de la charge, désactivant le canal et préservant les données stockées. Ce cycle de charge est essentiel à la fonctionnalité et à la fiabilité de la DRAM dans les applications informatiques.