이상적인 MOS cap

<Capacitor>

[capacitor]

전기장 내에서 전기 에너지를 저장하는 소자

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[MOS capacitor]

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<전압에 따른 MOS cap 동작>

[일함수]

- 일함수

고체의 표면에서 한개의 전자를 고체 바깥으로 뗴어내는 데 필요한 최소 E

 

[Fermi Level]

- Fermi-Dirac 분포 함수

절대온도 T에서 E값을 가지는 에너지에서의 available한 에너지 상태가 전자 하나에 채워져 있을 확률

- Fermi level

전자에 의해 채워져 있을 확률이 1/2인 에너지 상태

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[MOS cap 동작]

<n-channel MOSET>

1. Flat band (V=0)

- qΦm

금속의 EF에서 절연층의 EC까지의 에너지 차이

- qΦs

반도체의 EF에서 절연층의 EC까지의 에너지 차이

- qΦF

반도체에서 EF가 EI보다 얼마나 아래에 위치하고 있는지를 나타냄

-> P-type 반도체의 도핑 정도를 알 수 있음

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2. accumulation (V<0)

금속 쪽에 (-)전압을 걸어줌

-> 평형상태의 위치보다 qV만큼 높게 EFm이 위치함

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=> 금속 쪽 : 음전하가 모임

반도체의 표면 : 양전하 축적 (원래 p-type의 반도체의 도핑에 의한 정공 농도보다 더 큰 정공 농도를 가짐)

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3. depletion (V>0)

금속 쪽에 (+)전압을 걸어줌

-> 평형상태의 위치보다 qV만큼 낮게 EFm이 위치함

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=> 금속 쪽 : 양전하가 모임

반도체의 표면 : 음전하 축적 (반도체 표면근처에서 정공이 'deplete'되고, 이온화된 acceptor들이 드러남)

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4. inversion (V>>0)

금속 쪽에 강한 (+)전압을 걸어줌

-> 반도체 표면의 Ei를 EF보다 아래로 휘게 함

-> 표면이 n-type이 되어 conduction band에서 큰 전자 농도를 가지게 됨 (도핑에 의해 형성된 것 xxx)

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<P-channel MOSFET>

1. Flat band (V=0)

- qΦm

금속의 EF에서 절연층의 EC까지의 에너지 차이

- qΦs

반도체의 EF에서 절연층의 EC까지의 에너지 차이

- qΦF

반도체에서 EF가 EI보다 얼마나 위에 위치하고 있는지를 나타냄

-> n-type 반도체의 도핑 정도를 알 수 있음

​

2. accumulation (V>0)

금속 쪽에 (+)전압을 걸어줌

-> 평형상태의 위치보다 qV만큼 낮게 EFm이 위치함

​

=> 금속 쪽 : 양전하가 모임

반도체의 표면 : 음전하 축적

​

3. depletion (V<0)

금속 쪽에 (-)전압을 걸어줌

-> 평형상태의 위치보다 qV만큼 높게 EFm이 위치함

​

=> 금속 쪽 : 음전하가 모임

반도체의 표면 : 양전하 축적 (반도체 표면근처에서 전자가 'deplete'되고, 이온화된 donor들이 드러남)

​

4. inversion (V<<0)

금속 쪽에 강한 (-)전압을 걸어줌

-> 반도체 표면의 Ei를 EF보다 위로 휘게 함

-> 표면이 p-type이 되어 valance band에서 큰 정공 농도를 가지게 됨 (도핑에 의해 형성된 것 xxx)

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[Strong inversion]

<n-channel MOSFET>

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<QS VS Φs>

[반도체에서의 전하 밀도와 표면 포텐셜의 관계]

<n-channel MOSFET>

1. flat band (Φs = 0)

QS=0

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2. accumulation (Φs < 0)

주전하인 정공이 표면에 축적됨

밴드 휘어짐은 작음

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3. depletion (0 < Φs < ΦF )

고정되어 움직일 수 없는 이온화된 acceptor (Na-)가 드러남

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4.1. weak inversion (0 < Φs < 2ΦF )

전압을 점점 증가할수록, 조금씩 electron이 쌓임

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5.1. strong inversion (Φs > 2ΦF )

강한 전압을 걸어주면, 표면에 매우 많은 전하가 쌓임

표면전위는 2ΦF에서 고정

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