MOSダイオード
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/06/01 06:40 UTC 版)
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P型またはN型のシリコンウェハの表面を酸化して絶縁酸化膜（SiO2）を作り、その上に金属ゲート（金属や高濃度にドーピングされたシリコン）を付けた構造をもつ。
MOSキャパシタは、ランダムアクセスメモリ（RAM）やCCDイメージセンサに用いられる。
エネルギーバンド図
p型シリコンMOSキャパシタのエネルギーバンドを考える。熱平衡状態にあるMOSキャパシタでは、金属ゲートと半導体との仕事関数が異なるため、酸化物と半導体表面のバンドが曲がる。その結果フェルミ準位が価電子帯から離れるため空乏層が形成する。
p型MOSキャパシタに負のゲート電圧をかけると、シリコン基板のバンドが平らになる電圧が存在する。このときの電圧
接続前
熱平衡（空乏）
フラットバンド
蓄積
反転
容量-電圧特性
右図にp型シリコンMOSキャパシタの容量とゲート電圧の関係（C-V特性）を示す。
ゲート電圧が負の方向に大きい場合（図の左側）、p型シリコンから酸化膜に向かう電場が生じる。その電場によってp型シリコンの多数キャリアである正孔は酸化膜/p型シリコン界面に溜まった状態となる（蓄積）。ゲート電圧に比例して界面の正孔濃度が変化するため、容量は酸化膜の容量となる。
ゲート電圧が負の値から正の方向へ大きくなると、MOS構造内の電場がゼロとなるゲート電圧（フラットバンド電圧）が存在する。
ゲート電圧がフラットバンド電圧よりも正の方向へ大きくなると（図の中央）、酸化膜からp型シリコンへ向かう電場が生じる。その電場によって、正孔は酸化膜/p型シリコン界面から遠ざけられ、界面の正孔が不足する（空乏）。全体の容量は酸化膜の容量と空乏層の容量との直列になるため、容量は低下する。
さらにゲート電圧が正の方向に大きくなると（図の右側）、まずシリコンのバンドが酸化膜を通して押し下げられ、 それによってｐ型シリコン中の正孔が酸化膜界面から遠ざかり自由な可動電荷のない空乏層が形成される。 そのためMOSのゲート・シリコン間の容量は空乏層が広がるにつれてさらに小さくなっていく。（いわゆるdeep depletion、あるいは非平衡状態と言う）[4] 低温で光が遮断され、結晶欠陥も少ない基板であれば、deep depletion の状態は長く保たれ、分単位に及ぶこともある。
周囲にN型の拡散層が無ければ、時間と共に基板の少数キャリアである電子や、ボルツマン分布に従う電子・正孔の対生成、あるいは光による対生成によって生じた電子がゲート電極とシリコンの界面に集まる。（反転）。 反転層の生成後に低周波の交流電圧で測定した場合は、その交流電圧の変化に対応して反転層の電子の増減が生じるので、容量は酸化膜の容量となる。一方、測定を高周波の交流電圧で行った場合（青色）は電圧の変化に電子と正孔の生成が追い付かないため、反転層の電荷（この場合は電子）は増減せず、空乏層の微小な伸び縮みが反応するので測定値は、酸化膜の容量と空乏層の容量との直列容量のまま一定値となる。
- ^ ダイオードと言ってもこの場合は整流作用がある訳ではなく、ゲート電極とシリコン基板電極と言う二つの電極を持つデバイスと言う意味である。
- ^ B.L.アンダーソン『半導体デバイスの基礎（中）』2012年、488頁
- ^ B.L.アンダーソン『半導体デバイスの基礎（中）』2012年、614頁
- ^ S. M. Szeの Physics of Semiconductor Devices によると、第一版では "nonequilibium condition" と表現されているが(p435)、第二版では "deep depletions" となっている(p372)。
- ^ 両極の動作電位が（正の）電源の前後であれば、Pチャネルを使うようにアレンジするなど。
- 1 MOSダイオードとは
- 2 MOSダイオードの概要
- 3 ダイオード接続MOS
