MOSダイオード
MOSダイオードは、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor、金属-酸化物-半導体)構造をもつダイオード である。MOSキャパシタとも呼ばれる。
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。
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 V F B {\displaystyle V_{FB}} をフラットバンド電圧と呼ぶ。この状態ではシリコン基板中に電界が存在していない。さらに負の方向へ電圧をかけると、p型基板の自由可動電荷である正孔がゲート界面に引き付けられ、シリコンのバンドが上に曲がることによってフェルミ準位が価電子帯に近づき、半導体表面では正孔が溜まる。これを蓄積と呼ぶ。
逆にMOSキャパシタに正の方向へ電圧を加えると、バンドが下に曲がることでフェルミ準位は価電子帯からさらに遠ざかり、正孔が移動することで空乏が進む。またある電圧 V t h {\displaystyle V_{th}} を超えると、フェルミ準位が伝導帯に近づくことで少数キャリアである電子が半導体表面に誘起される。これを反転と呼び、半導体表面の少数キャリアの層を反転層と呼ぶ。反転が始まる電圧 V t h {\displaystyle V_{th}} をしきい値電圧と呼ぶ。
実際にはフラットバンド電圧を超えてゲート電極の電圧を上げていくと、p型シリコン側の可動電荷である電子が追いやられて界面近くのシリコンが空乏化し、その空乏層に残された不純物イオンが固定電荷としてゲート電極による電界を受け止めるが、この段階では、まだ十分な電子が界面に誘起されていない。