【半導体工学】金属-絶縁体-半導体構造とは (MIS構造)

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工学

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.

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MIS構造とは

図1 MIS構造

MIS構造 (金属-絶縁体-半導体構造)は図1のような金属 (Metal)-絶縁体 (Insulator)-半導体 (Semiconductor)を接触させた構造のことです.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.

電圧印加時の振舞い

MIS構造は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説明していきます.今回は半導体がp型の場合で例を示します (n型半導体の場合も反対に動作).

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.金属は負の電荷,半導体の界面では正の電荷が溜まり,半導体の界面で\(p^+\)となります.

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.理想状態では電圧を印加しない場合,図のようにエネルギーバンドが曲がらない状態 (フラットバンド)となります.フラットバンドになる電圧をフラットバンド電圧といい,理想状態ではフラットバンド電圧は0 Vです.

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.

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,半導体の界面で正孔が離れて,反対に電子が誘起されるためn型の層 (反転層)が形成されます.この場合,反転層では電子が移動可能になります.

図2 電圧印加時のMIS構造の振舞い

実際のフラットバンド電圧

以上で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紹介しました.しかし一般に実際では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

MIS構造の応用先

金属と半導体の間に絶縁体を持ち,コンデンサのような構造を取るため実際に容量を持ち,これを利用したメモリ (RAM: ランダムアクセスメモリ)の構成要素として応用されます.

また反転層を形成した際のみに絶縁体-半導体界面で一方のキャリアが移動することができるため,これを利用したMOSトランジスタに応用されます.

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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