Benutzer:Tillmann Walther/MIS

Die Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur (engl. metal insulator semiconductor, kurz MIS) bildet die Grundlage für eine Vielzahl von Bauelementen in der Mikroelektronik, z. B. Feldeffekttransistoren, CCD-Sensoren), aus welchen sich wiederum erweiterte Anwendungen ergeben, z. B. Mikroprozessoren.

Die Struktur besteht aus einem Träger (meist reines Silizium) und einer darüber befindlichen Metallschicht. Diese beiden Schichten werden durch eine dünne Isolatorschicht getrennt. Es bildet sich ein Kondensator. Als Isolatoren werden Siliciumdioxid (seltener Siliciumnitrid) oder bei zunehmender Miniaturisierung High-k-Dielektrika wie beispielsweise Hafniumdioxid verwendet. Da hierbei ein Oxid als Isolator eingesetzt wird, spricht man auch von MOS-Strukturen. Typische Anwendungsbeispiele sind der MIS-Kondensator und der MOS-Transistor.

Idealisierte MIS-Struktur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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. Als Gatespannung $U_{\mathrm {G} }$ bezeichnet man die vom Gate nach [[Masse (Elektronik)|Masse] abfallende Potenzialdifferenz.

In idealisierter Betrachtungsweise ist der Isolator und seine Grenzflächen im thermodynamischen Gleichgewicht ladungsfrei. Zwischen Metall und Halbleiter besteht keine Differenz der Austrittsarbeiten.

In Abhängigkeit von der anliegenden Spannung $U_{\mathrm {G} }$ unterscheidet man folgende Zustände (Alle Angaben gelten für ein p-dotiertes Substrat):

Thermodynamisches Gleichgewicht & Flachbandfall: Im thermodynamischen Gleichgewicht gibt es keine Änderungen an den Grenzflächen gegenüber dem Bulkmaterial. Im Bändermodell betrachtet sind die Bandgrenzen flach.

Anreicherung: Bei einer großen negativen Vorspannung ( $U_{\mathrm {G} }\ll 0\ \mathrm {V}$ ) sammeln sich Defektelektronen an der Halbleiter-Isolator-Grenzfläche an. Diesen Zustand bezeichnet man als Anreicherung (Akkumulation).

Verarmung: Eine geringe Erhöhung der angelegten Spannung über die Flachbandspannung ( $U_{\mathrm {G} }>U_{\mathrm {FB} }$ ) führt zu einer Verringerung der Defektelektronen im Bereich der Halbleiter-Isolator-Grenzfläche, diesen Zustand bezeichnet man als Verarmung (depletion). Es bildet sich im Bereich der Halbleiter-Isolator-Grenzfläche eine ladungsträgerarme Raumladungszone, zurück bleiben die mit der negativen Ladung $Q_{\mathrm {d} }$ behafteten Atomrümpfe der Akzeptoren.

Inversion: Sobald durch die angelegte Spannung die Minoritätendichte die Majoritätendichte an der Halbleiter-Isolator-Grenzfläche übersteigt, spricht man von 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 Feldeffekt wird beim MIS-Transistor genutzt.

ungenutzte Textfragmente[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Thermodynamisches Gleichgewicht: Liegt keine Gatespannung an ( $U_{\mathrm {G} }=0\ \mathrm {V}$ ), so existieren im Allgemeinen im Inneren der Struktur bereits Ladungen. Ähnlich wie bei einer Schottky-Diode, kommt es im thermischen Gleichgewicht zu einem Ausgleich der unterschiedlichen Fermi-Niveaus, 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 Leitfähigkeit 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 $U_{\mathrm {FB} }$ . 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.