MOS二極管的過渡響應狀態電壓分析詳解

電荷耦合器件

如圖1.18所示，在一個平面上排列許多MOS二極管，反型層內的電荷不傳送到外部電路，而在相鄰MOS二極管內轉移的器件稱為電荷耦合器件（charge coupled deυices）^13）。與MOS場效應晶體管本質上的差異是反型層內的載流子由與柵電壓無關的信號決定，而柵電壓與信號無關，只用來傳輸電荷。在MOS場效應晶體管工作的一節中已經敘述過，穩態下反型層內的載流子密度與柵電壓之間一定有一一對應的關系，為使其完成上述工作，必然要在過渡狀態下使用。因而電荷耦合器件的工作是過渡狀態的連續。這里我們首先考慮MOS二極管的過渡狀態。

MOS二極管的過渡響應

假定有一個MOS二極管，系在N型硅上生長的二氧化硅膜上蒸發鋁等金屬構成，如圖1.19所示。為簡單起見，只稱柵電壓的時候就是指有效柵電壓，柵電壓為零就是指硅表面的電場為零，如圖1.19（a）所示。如在這個柵上相對于硅襯底加負電壓，當所加電壓不太大時，在硅表面形成耗盡層，如圖1.19（b）所示；若加上更大的負柵電壓時，眾所周知，在硅表面上形成反型層，如圖1.19（c）所示。請注意，這是穩態時的情形。

現在看一看在柵電壓上疊加大的負脈沖電壓的情形，為了能夠立刻形成與脈沖電壓相對應的反型層，要向硅表面注入空穴電流，供給反型層以空穴?？臻g電荷層內載流子的熱產生非常緩慢，設τp為載流子壽命，ni為本征載流子密度，則其產生率g為^14）

如設硅襯底中的施主濃度為ND，則形成反型層所需時間t0為

即使載流子壽命為微秒量級，t0亦為秒量級，因此反型層的形成，無論如何也跟不上脈沖電壓。另外還可以考慮有如下的可能性，即通過硅襯底的歐姆接觸注入空穴電流。但不能通過N N⁺結所形成的歐姆接觸向N型半導體注入空穴電流。如圖1.20所示，在歐姆電極的金屬和N⁺層的界面處從金屬方面看有一勢壘，勢壘高度等于金屬的功函數фM和硅的電子親和力χ之差，但由于N⁺層內的勢壘厚度很薄，硅中的導電電子通過隧道效應到達金屬，形成所謂歐姆接觸。然而對由金屬向硅注入的空穴而言，會出現圖1.20所示的很高的勢壘，因而幾乎沒有空穴注入。

結果是，在MOS二極管的柵極上加上大的負電壓時，如沒有MOS場效應晶體管那樣的空穴注入源時，空穴分布和熱平衡情形沒有太大的區別，只有因導電電子遠離唯表面，而在桂表面處形成的耗盡層。但隨著時間的推移，這種狀態會因熱生少數載流子的積累而發生變化，直至硅表面處生成反型層。

反型層的形成時間如前所述為秒的量級，當考察比毫秒還短的時間內發生的現象時，如另外采取少數載流子的注入隧道手段，在柵極上加一個使多數載流子遠離硅表面這樣方向的電壓，則在硅表面可形成反型層。如不特別采取注入少數載流子的手段。硅表面就不形成反型層。

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