MOS电容器功能的定性描述-累积-耗尽-反型基础原理

将MOS电容器电容值作成电压函数关系曲线时，存在三个有趣的区域。这里讨论用p型衬底制作的MOS电容器的情形，而用n型衬底制作的类似器件也可用同样的方法处理。

MOS电容器累积

对于足够大的负栅极电压，作为多数载流子的空穴被吸引到硅表面，终止于栅极绝缘物上的电场；结果在硅表面形成如图3.2（a）所示的p型累积层。MOS电容器功能。因为外加栅极电压引起空穴浓度的增加，硅表面附近的费密能级将移向更加接近价带边缘的位置。由于结构是处于热平衡状，费密能级位置保持恒定，如此便出现如图3.2（b）所示的表面能带弯曲的情况。

接近累积硅表面的空穴浓度较高，其表面可以看作是与栅极同时形成的平行板电容器的第二电极。因为累积层与p型衬底为直接欧姆接触，在累积条件下，这一结构的电容值近似等于，此处A为栅电极的面积。

MOS电容器耗尽

假如减小外加负栅极电压的数值，硅表面的空穴浓度也将减小。这个过程继续下去，栅极电压最后可减小到使表面空穴浓度为零，而仅由非可动离化施主构成的表面耗尽区可以终止栅极绝缘物电场，如图3.3（a）所示。MOS电容器功能。不难看出，在耗尽条件下，硅表面附近的费密能级移向更为接近禁带中心的位置，这种情况见图3.3（b）所示的能带图，该图表示只有耗尽区存在时的表面能带弯曲的性质。

因为表面耗尽区单位面积电荷密度的数值等于受主杂质浓度乘以电子电荷，再乘以表面耗尽区宽度，正栅一衬电压的增加将使QSD和x_d。两者同时增加。在表面耗尽区宽度增加时，MOS电容器结构的栅一衬电容值将减小，因为表面耗尽区电容与栅极绝缘物电容是串联相加的。因此在耗尽条件下，栅一衬单位面积总电容等于

式中是单位面积氧化物电容，而CSD是与表面耗尽区相关的单位面积电容。而且不难证明

式中为硅的介电常数；xd为表面耗尽区宽度，它是外加栅极电压的函数。必须注意的是式（3.1）只有在硅一二氧化硅界面的表面态可能收集电荷且与表面电势无关时成立。

MOS电容器反型

随着外加正栅极电压的增加，表面耗尽区宽度将不断增加，直到导带电子被吸引到硅表面形成n型表面反型层。MOS电容器功能。这个情况如图3.4（a）所示。由于栅极电场的作用，硅表面变成强反型，硅表面附近的费密能级现在将接近于导带边缘，结果出现如图3.4（b）所示表面能带弯曲的情况。

如2.1节所示，在平衡状态下，表面反型一经形成，即使栅极电压向正值增加，MOS结构的表面耗尽区宽度实际上仍然保持不变。不过，如果存在不平衡的情况，使反型层电荷密度不能随加在栅极上而与直流偏压迭加的高频小信号交流电压变化，那末，表面耗尽区宽度围绕其最大值会出现小的变化。由于反型层电荷密度能或不能随外加栅极交流电压变化，于是得出反型条件下的电容将为频率的函数，一般地说，在出现反型层时，MOS电容器结构的栅一衬电容值对于低频信号等于介电电容。MOS电容器功能。而对于高频信号，电容值将等于介电电容与最大宽度下的表面耗尽区电容串联之和。（在后面的一节中，将更为详细地描述反型条件下高频和低频电容的特性）图3.5和3.6分别表示用p型或n型衬底制作的MOS电容器电容值与电压之间关系的典型曲线。高频和低频曲线在图中同时给出。

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