MIS構造 (金属-絶縁体-半導体構造)は金属-絶縁体-半導体を接触させた構造のことです．MIS構造はメモリやMOSトランジスタとして利用されます．本記事ではMIS構造について解説していきます．
MIS構造とは
MIS構造 (金属-絶縁体-半導体構造)は図１のように，金属 (Metal)-絶縁体 (Insulator)-半導体 (Semiconductor)を接触させた構造です．
金属と半導体で絶縁体を挟んでコンデンサのような構造を持ちます．金属と半導体にそれぞれ別の電極を付けて利用します．
電圧印加時の振舞い
MIS構造は金属にかける電圧によって，振舞いが変わります．図２の4つの電圧印加時の振舞いについて，それぞれ説明していきます．今回は半導体を接地させ，半導体がp型の場合で説明しています (n型半導体の場合は反対に動作します)．
蓄積状態
蓄積状態は金属に負の電圧を印加した状態です．金属に負の電圧を印加しているため，絶縁体付近の半導体で正孔が蓄積されます (反対に電子は遠ざかります)．
熱平衡状態 (理想)
熱平衡状態は金属に電圧を印加しない状態です．このとき，図のようにエネルギーバンドが曲がっていない状態 (フラットバンド)にあります．フラットバンドになる電圧をフラットバンド電圧といます (理想の状態ではフラットバンド電圧は0 V)．
空乏状態
空乏状態では金属に正の電圧を印加した状態です．金属は正の電荷が溜まり，半導体の界面で正孔が離れて行くため，空乏層を形成します．空乏状態では、半導体表面付近の多数キャリアである正孔が減少し、イオン化したアクセプタによる空間電荷領域（空乏層）が形成されます．
反転状態
反転状態では，金属にさらに高い正の電圧を印加した状態です．金属は正の電荷が溜まり，半導体の界面では正孔が離れて，反対に電子が誘起されて，n型の層 (反転層)が形成されます．反転層では，電子が移動することができます．
MIS構造の応用先
上で４つの状態を説明しましたが，これら状態の違いを利用して，トランジスタやメモリに応用することができます．
MIS構造を使った電界効果トランジスタをMISFETといい，絶縁膜が酸化膜のものがMOSFETです．例えば，p型のボディーを持つエンハンスメント型nMOSでは，ゲート電圧で電子の反転層を形成し，ソースとドレインの間の電流を制御します．「反転層以外ではキャリアが移動できない」という意味ではありません．(MOSトランジスタについてはこちら)
MIS構造は電極と半導体の間に絶縁体を挟むため，容量を持ちます．これを利用したMOSキャパシタが集積回路で使われます．また，DRAMはキャパシタに蓄えた電荷で情報を保持しますが，RAMにはSRAMなど別の保持方式もあります．
実際のフラットバンド電圧
以上の理想の熱平衡状態では，エネルギーバンドがフラットである，フラットバンドを形成すると説明しました．しかし，実際のほとんどの場合，熱平衡状態ではフラットバンドになりません (フラットバンド電圧≠0 V)．熱平衡状態でフラットバンドにならない理由は主に以下の3つがあります．
- 金属と半導体の仕事関数が等しくない
- 絶縁体内に電荷がある
- 絶縁体-半導体の界面で界面準位が無視できない
MOS構造
MIS構造の一つに，MOS構造があります．MOS (Metal–Oxide–Semiconductor)構造は絶縁体として酸化膜を用いた，金属-酸化膜-半導体の構造をしています．集積回路ではMIS構造として，MOS構造を用いることが一般です．
まとめ
- MIS構造 (金属-絶縁体-半導体構造)：金属 (Metal)-絶縁体 (Insulator)-半導体 (Semiconductor)を接触させた構造
- MIS構造はかける電圧によって振舞いが変わる (蓄積状態，熱平衡状態，空乏状態，反転状態)
- MIS構造の応用先：RAM (ランダムアクセスメモリ)，MOSトランジスタ
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