imported>Docosanus: /* Literatur */ + Link E. Hering

2024-04-28T17:17:08Z

Literatur: + Link E. Hering

Neue Seite

[[Datei:MIS-Kondensator (vertikal).svg|mini|MIS-Struktur (Metall/SiO<sub>2</sub>/p-Si) in einem vertikalen MIS-Kondensator]]
Die '''Metall-Isolator-[[Halbleiter]]-Struktur''' (engl. {{lang|en|metal insulator semiconductor}}, kurz '''MIS''') bildet die Grundlage für eine Vielzahl von Bauelementen in der Mikroelektronik, z. B. [[Feldeffekttransistor]]en, [[CCD-Sensor]]en, aus welchen sich wiederum erweiterte Anwendungen ergeben, z. B. [[Mikroprozessor]]en.

Die Struktur besteht aus einem Träger (meist reines [[Silicium|Silizium]]) und einer darüber befindlichen Metallschicht. Diese beiden Schichten werden durch eine dünne Isolatorschicht getrennt. Es bildet sich ein Kondensator. Als Isolatoren werden derzeit (2008) hauptsächlich [[Siliciumdioxid]], seltener auch [[Siliciumnitrid]], verwendet. Da hierbei ein Oxid (Siliciumdioxid, SiO<sub>2</sub>) als Isolator eingesetzt wird, spricht man auch von MOS-Strukturen. Typische Anwendungsbeispiele sind der [[MIS-Kondensator]] und der [[Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor|MOS-Feldeffekttransistor]].

== Arbeitszustände ==
Die MIS-Struktur ist ein wesentlicher Teil eines MIS-Transistors, wobei der Metallanschluss der Gate-Elektrode beim MIS-Transistor entspricht und der Halbleiter dem [[Substrat (Materialwissenschaft)|Substrat]]. Als Gatespannung <math>U_\mathrm{G}</math> bezeichnet man die vom Gate zum Substratanschluss abfallende Potenzialdifferenz. Außerdem befinden sich im Isolator von der äußeren Spannung größtenteils unabhängige meist positive Ladungsträger, welche bei der Dimensionierung von Bauelementen berücksichtigt werden müssen.

In Abhängigkeit von der anliegenden Spannung <math>U_\mathrm{G}</math> unterscheidet man folgende Zustände (Alle Angaben gelten für ein p-[[Dotierung|dotiertes]] Substrat):

;Thermodynamisches Gleichgewicht: Liegt keine Gatespannung an (<math>U_\mathrm{G}=0\ \mathrm{V}</math>), so existieren im Allgemeinen im Inneren der Struktur bereits Ladungen. Ähnlich wie bei einer [[Schottky-Diode]], kommt es im [[Thermodynamisches Gleichgewicht|thermischen Gleichgewicht]] zu einem Ausgleich der unterschiedlichen [[Fermi-Niveau]]s, was zu einem als ''Kontaktpotenzial'' bezeichneten Spannungsunterschied führt. Da das Fermi-Niveau des Metalls im Allgemeinen höher liegt, als das des Halbleiters bilden sich an der Grenzschicht zwischen Metall und Isolator positive und dem entgegengesetzt an der Grenzschicht zwischen Isolator und Halbleiter negative Ladungen aus. Da die zum Metall gesehene Ladungsträgerdichte des Halbleiters relativ gering ist, bildet sich eine [[Raumladungszone]] aus. Der Spannungsabfall über die MIS-Struktur teilt sich linear auf das Oxid und quadratisch auf die Raumladungszone auf.

;Flachbandfall: Gleicht man das Kontaktpotenzial und den Spannungsabfall über das Oxid durch eine bestimmte schwache Vorspannung aus, so verschwindet die Raumladungszone und man spricht vom ''Flachbandfall'' und der angelegten ''[[Flachbandspannung]]'' <math>U_\mathrm{FB}</math>. Die Bezeichnung kommt daher, dass im [[Bändermodell]] keine Krümmung mehr zu erkennen ist. Das Vorzeichen und die Größe der für den Flachbandfall notwendigen Spannung ist dabei abhängig von Gate-Material und auch vom verwendeten Halbleiter.

;Anreicherung: Bei einer großen negativen Vorspannung (<math>U_\mathrm{G} \ll 0\ \mathrm{V}</math>) sammeln sich [[Majoritätsladungsträger]] an der Halbleiteroberfläche (Halbleiter-Isolator-Grenzfläche) an. Diesen Zustand bezeichnet man als ''Anreicherung'' (Akkumulation).

;Verarmung: Eine Erhöhung der angelegten Spannung über die Flachbandspannung (<math>U_\mathrm{G}>U_\mathrm{FB}</math>) führt zu einer Verringerung der [[Majoritätsladungsträger]] im Bereich der Halbleiter-Isolator-Grenzfläche, diesen Zustand bezeichnet man als ''Verarmung'' ({{lang|en|depletion}}). Dabei vergrößert sich die vertikal gebildete Raumladungszone im Silizium.

;Inversion: Sobald durch die angelegte Spannung die Minoritätendichte die Majoritätendichte an der Halbleiter-Isolator-Grenzfläche übersteigt, spricht man von [[Inversion (Halbleiter)|Inversion]]. Hierbei unterscheidet man zwischen ''schwacher Inversion'' und ''starker Inversion''. Bei starker Inversion entsteht im Halbleiter an der Grenze zum Isolator ein Elektronenkanal, in dem n-Leitung möglich ist. Dieser Effekt wird beim MIS-Transistor genutzt. Die Ladung der sich im Elektronenkanal befindlichen Elektronen verkleinert die vertikal gebildete Raumladungszonen gegenüber dem Verarmungsfall.

== Literatur ==
* [[Ekbert Hering]], Klaus Bressler, Jürgen Gutekunst: ''Elektronik für Ingenieure und Naturwissenschaftler.'' Springer-Verlag 2014, ISBN 3-642-05499-4, S. 132.

== Weblinks ==
* [http://olli.informatik.uni-oldenburg.de/weTEiS/weteis/mos1.htm Genaue Erklärung der MOS-Struktur]

[[Kategorie:Halbleiterelektronik]]

Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur - Versionsgeschichte

imported>Docosanus: /* Literatur */ + Link E. Hering