MOS - Kondensator

Der Mos - Kondensator

Der MOS (Metal Oxyd Semiconductor) - Kondensator besteht aus einem Substrat (z.B. Silizium), welches p-dotiert oder n-dotiert ist. Auf dieses Substrat wird, durch einen Nichtleiter (Dielektrikum) getrennt, im geringen Abstand ein Metall bzw. Polysilizium aufgebracht. Das Dielektrikum besteht üblicherweise aus Siliziumdioxid.

Grundspannung U_F

ortsfeste Ladungsträger durch Verunreinigungen

Die Spannung, die im unbeschalteten Zustand zwischen Metall und Substrat aufgrund verschiedener Fermi-Energien entsteht, wird mit U_diffMS bezeichnet.

Durch Verunreinigungen, die beim Herstellungsprozeß nicht auszuschließen sind, befinden sich an der Grenzschicht zwischen Substrat und Dielektrikum ortsfeste positive Ladungsträger. Diese bilden eine positive Kapazität C_ox mit der Ladung Q_ox und dem Potential U_ox.

Die Spannung, die im Gleichgewicht zwischen Metall und Substrat anliegt, ist damit:

U_F = U_diffMS - U_ox

Die Spannung, die sich aus der von außen angelegten Spannung U und der Grundspannung U_F ergibt, wird mit U_MS bezeichnet.

U_MS = U_F + U

Wenn keine Spannung angelegt wird, ergibt sich daraus: U_MS = U_F

Je nachdem, welche Spannung von außen an den Kondensator angelegt wird, befindet sich der Kondensator in verschiedenen Zuständen. Im folgenden werden die Zustände Anreicherung, Verarmung und Inversion genauer betrachtet.

Anreicherung

Anreicherung: U_MS < 0V

Wird an das Metall eine negative Spannung U_MS gegenüber dem Substrat angelegt, also U_MS<0V, wandern im Substrat positive Ladungsträger zur Grenzschicht und sammeln sich dort. Diese Ansammlung positiver Ladungsträger in einem positiv dotierten Bereich wird als Anreicherungzone bezeichnet.

Beobachten Sie, wie durch die Veränderung der Spannung die Anreicherungszone entsteht.

MOS-Kondensator: Anreicherungszone

Anmerkung: Der Schwellwert erhält seine Bedeutung bei der Inversion s.u.

Die Ansicht der Ladungen verdeutlicht, wo sich die Ladungsträger sammeln und in welcher Menge. Es kann z.B. beobachtet werden, daß sich die Ladung im Dielektrikum nicht verändert, weil die dort vorhandene Ladung durch den Herstellungsprozeß entstanden ist. Die Keilform der Ladungsdichte entsteht dadurch, daß die Anziehung der Ladung an der Grenzschicht stärker ist.

Verarmung

Verarmung: U_MS>0V und U_MS<U_TH

Bei der Umpolung der Spannung (U_MS > 0V), wobei der Pluspol am Metall und der negative Pol am Substrat anliegt, wandern bei einer geringen Spannung negative Ladungsträger im Substrat an die Grenzschicht. An der Grenzschicht rekombinieren die negativen Ladungsträger mit den dort befindlichen freien positiven Ladungsträgern. Es wird dabei ein elektrisches Feld erzeugt, welches dem Feld im unbeschalteten Zustand entgegengerichtet ist. In der Nähe der Grenzschicht entsteht durch die Rekombinationen eine Raumladungszone, die an freien Ladungsträgern verarmt ist. Diese Zone wird als Verarmungszone bzw. "depletion region" bezeichnet. Anmerkung: In der Abbildung "Verarmung" liegt UMS noch unter einer später erklärten Schwellwertspannung U_TH.

Beobachten Sie, wie durch die Veränderung der Spannung die Verarmungszone entsteht.

MOS-Kondensator: Verarmungszone

Anmerkung: Der Schwellwert erhält seine Bedeutung bei der Inversion s.u.

In der Ansicht der Ladungen kann beobachtet werden, wie bei steigender positiver Spannung, die an das Metall angelegt wird, immer mehr negative Ladungsträger im Substrat zur Grenzschicht wandern.

Inversion

Inversion: U_MS>0V und U_MS>U_TH

Wird die Spannung U_MS weiter erhöht und überschreitet dabei die Schwellwertspannung (U_MS > U_TH), bildet sich im p-dotierten Substrat ein n-dotiertes Gebiet. Die Schwellwertspannung kennzeichnet den Punkt, an dem keine freien Löcher, also positive Ladungsträger, an der Grenzschicht zur Rekombination zur Verfügung stehen. Die Elektronen, also die negativen Ladungsträger, die bei einer Spannungserhöhung dann zusätzlich zur Grenzschicht wandern, finden keinen Rekombinationspartner und stehen als freie negative Ladungsträger zur Verfügung. Die Zone, die die frei beweglichen negativen Ladungsträger enthält, wird als Inversionszone bezeichnet.

Beobachten Sie, wie durch die Veränderung der Spannung die Inversionszone entsteht.

MOS-Kondensator: Inversionszone

Die Schwellwertspannung wurde auf 2.0V heruntergesetzt, damit Ums ihn überschreiten kann

Die Schwellwertspannung U_TH setzt sich aus der Grundspannung und aus der Spannung, die durch die Materialkonstanten berechnet werden kann, zusammen.

U_TH = U_F + U_B - ( U_B / C_ox )

Die Schwellwertspannung ist für einen bestimmten Kondensator konstant. Im folgenden Applet kann sie allerdings variiert werden. Eine Veränderung von U_TH bedeutet dabei z.B. eine Veränderung des Materials.

Beobachten Sie, wie sich durch die Veränderung der Schwellwertspannung die Zonen verschieben.

MOS-Kondensator: Schwellwert

Die von außen angelegte Spannung wurde auf 3.0V festgelegt

Anmerkung: Wenn die Schwellwertspannung überschritten ist, gibt Q_e die Ladung pro Fläche der frei beweglichen Elektronen an.

Q_e = C_ox ( U_MS - U_TH )

 

Um später die Funktionsweise des Transistors zu verstehen, sollten die folgenden Punkte verstanden worden sein.

- Der Kondensator besteht aus einem negativ und einem positiv-dotierten Bereich, die durch ein Dielektrikum getrennt werden.

- Durch Anlegen einer Spannung kann in einem positiv-dotierten Material ein negativer Bereich erzeugt werden (Inversion). Allerdings muß erst eine Schwellwertspannung überwunden werden.

Experimentiermodule:
Diode Kondensator Transistor