2.3 MIS结构

MIS结构是由金属（Metal）、绝缘体（Insulator）和半导体（Semiconductor）组成的，是金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的核心组成部分。MIS结构实际就是一个电容，当在金属和半导体之间施加电压时，金属和半导体类似电容的两个极板被充电。施加电压不同，两者的电荷分布也不同。在金属中，自由电子密度很大，电荷基本分布在很窄的范围内；在半导体中，自由载流子浓度相对较低，电荷必须分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面层称为空间电荷区。空间电荷区中的电荷分布会随着金属和半导体之间所加电压 V G 的变化而变化，基本上可归纳为多子堆积、平带、多子耗尽和反型四种情况。以P型MIS结构为例，分析四种情况下的半导体能带结构和电荷分布，P型半导体形成的理想MIS结构在不同 V G 下的能带结构和电荷分布如图2-11所示。

（1）当 V G <0时，外加电场方向从半导体一侧指向金属一侧，因此半导体表面存在正的附加电势能，使得半导体表面处能带向上弯曲， E v 接近 E F 甚至高于 E F ，价带中空穴浓度增加。此时，金属一侧出现一个负电荷薄层，而半导体一侧则出现由空穴堆积所形成的带正电荷的空间电荷区，该状态称为多子堆积。

（2）当 V G =0时，无外加电场，半导体一侧能带没有任何变化保持平整。金属和半导体两侧均不带电荷，该状态称为平带。

（3）当 V G >0时，外加电场方向从金属一侧指向半导体一侧，因此半导体表面存在负的附加电势能，使得半导体表面处能带向下弯曲， E v 远离 E F ，价带中空穴浓度降低。当表面处 E F 接近禁带中线附近时，表面处空穴浓度远低于体内浓度，处于耗尽状态，剩下不能移动的电离受主。此时，金属一侧出现一个正电荷薄层，半导体一侧出现由电离受主所形成的带负电荷的空间电荷区，该状态称为多子耗尽。

（4）当 时，外加电场方向仍是从金属一侧指向半导体一侧，且电场强度大于多子耗尽的情况。表面存在的附加电势能相对多子耗尽时更大，表面处能带向下弯曲得更加严重。此时，表面处的 E F 高于禁带中线，这说明 E c - E F 小于 E F - E v 。这意味着表面处电子浓度超过了空穴浓度，即形成了与原来半导体导电类型相反的薄层，叫作反型层。此时，金属一侧仍然出现一个正电荷薄层，而半导体一侧则出现了由电离受主和反型层共同组成的带负电荷的空间电荷区，该状态称为反型。

对于N型半导体所形成的MIS结构而言，其 V G 与空间电荷区的状态刚好与P型半导体所形成的MIS结构相反。当 V G >0时，空间电荷区为多数载流子电子的多子堆积状态；当 V G =0时，为平带状态；当 V G <0时，空间电荷区为多子耗尽状态；当 时，空间电荷区为反型状态。 n4mj33ebqEBpEh6AR5MLrobPvthPgwhWKDaM1cBVkgyrOYUngwOsywMB8L3E0+Hb