MOS二极管的过渡响应状态电压分析详解

电荷耦合器件

如图1.18所示，在一个平面上排列许多MOS二极管，反型层内的电荷不传送到外部电路，而在相邻MOS二极管内转移的器件称为电荷耦合器件（charge coupled deυices）^13）。与MOS场效应晶体管本质上的差异是反型层内的载流子由与栅电压无关的信号决定，而栅电压与信号无关，只用来传输电荷。在MOS场效应晶体管工作的一节中已经叙述过，稳态下反型层内的载流子密度与栅电压之间一定有一一对应的关系，为使其完成上述工作，必然要在过渡状态下使用。因而电荷耦合器件的工作是过渡状态的连续。这里我们首先考虑MOS二极管的过渡状态。

MOS二极管的过渡响应

假定有一个MOS二极管，系在N型硅上生长的二氧化硅膜上蒸发铝等金属构成，如图1.19所示。为简单起见，只称栅电压的时候就是指有效栅电压，栅电压为零就是指硅表面的电场为零，如图1.19（a）所示。如在这个栅上相对于硅衬底加负电压，当所加电压不太大时，在硅表面形成耗尽层，如图1.19（b）所示；若加上更大的负栅电压时，众所周知，在硅表面上形成反型层，如图1.19（c）所示。请注意，这是稳态时的情形。

现在看一看在栅电压上叠加大的负脉冲电压的情形，为了能够立刻形成与脉冲电压相对应的反型层，要向硅表面注入空穴电流，供给反型层以空穴。空间电荷层内载流子的热产生非常缓慢，设τp为载流子寿命，ni为本征载流子密度，则其产生率g为^14）

如设硅衬底中的施主浓度为ND，则形成反型层所需时间t0为

即使载流子寿命为微秒量级，t0亦为秒量级，因此反型层的形成，无论如何也跟不上脉冲电压。另外还可以考虑有如下的可能性，即通过硅衬底的欧姆接触注入空穴电流。但不能通过N N⁺结所形成的欧姆接触向N型半导体注入空穴电流。如图1.20所示，在欧姆电极的金属和N⁺层的界面处从金属方面看有一势垒，势垒高度等于金属的功函数фM和硅的电子亲和力χ之差，但由于N⁺层内的势垒厚度很薄，硅中的导电电子通过隧道效应到达金属，形成所谓欧姆接触。然而对由金属向硅注入的空穴而言，会出现图1.20所示的很高的势垒，因而几乎没有空穴注入。

结果是，在MOS二极管的栅极上加上大的负电压时，如没有MOS场效应晶体管那样的空穴注入源时，空穴分布和热平衡情形没有太大的区别，只有因导电电子远离唯表面，而在桂表面处形成的耗尽层。但随着时间的推移，这种状态会因热生少数载流子的积累而发生变化，直至硅表面处生成反型层。

反型层的形成时间如前所述为秒的量级，当考察比毫秒还短的时间内发生的现象时，如另外采取少数载流子的注入隧道手段，在栅极上加一个使多数载流子远离硅表面这样方向的电压，则在硅表面可形成反型层。如不特别采取注入少数载流子的手段。硅表面就不形成反型层。

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