MOS結構能帶圖

金屬-絕緣體（氧化層）-半導體構成MOS結構，金屬作為柵極，當柵極零偏時，理想情況下半導體能帶是平的，意味著半導體內沒有凈電荷存在。

以P型半導體為例，對柵極加負電壓，受電場的影響，氧化物-半導體界面處的價帶更加靠近費米能級，說明這里有空穴的堆積，由于沒有電流流過，費米能級依然是水平的。

加正偏壓情況，界面處空穴被推離，費米能級離價帶更遠，產生空間電荷區。

繼續增大電壓，費米能級變得更接近導帶，說明半導體表面已從P型變成了N型，產生了電子反型層。

耗盡區寬度

先定義半導體的本征費米能級和EFi費米能級EF之差為?fp，以半導體體內為零勢能參考點，表面處的電勢?s稱為表面勢，它就是體內和表面本征費米能級的差值，那么耗盡區寬度可以寫為

當?s=2?fp時，表面處的電子濃度等于體內空穴濃度，這種情況稱為閾值反型點，此時外加的電壓稱為閾值電壓。如果外加電壓大于閾值電壓，表面處導帶會輕微地向費米能級彎曲，電子數量繼續增加，但耗盡區寬度將不會發生變化，因為此時反型層可以產生足夠多的負電荷，不需要擴展耗盡區。

功函數差

類似金半接觸，功函數的差異會導致電荷轉移產生電場和電勢差，這個電勢差會降落在氧化層和半導體內，

平帶電壓

平帶電壓的定義為當半導體內沒有能帶彎曲時所加的柵壓，此時表面勢為零，凈空間電荷為零，但由于功函數差和氧化層內可能存在的陷阱電荷，此時穿過氧化物的電壓不一定為零。

假設氧化物中陷阱電荷量為Qss′，單位面積的柵氧化層電容為Cox，則平帶時穿過氧化物的電壓為

要想使表面勢為零，需要產生一個能抵消功函數差和氧化物陷阱電荷的電壓（注意實際功函數差和氧化層電荷的正負號）

這個電壓就叫平帶電壓（也可以認為是零偏時的表面電勢）。

閾值電壓

閾值電壓定義為達到閾值反型點時所加的柵壓。在剛反型時，耗盡層空間電荷值達到最大值

先暫時不考慮功函數差和氧化層電荷的影響，從理想MOS結構來看，此時閾值電壓就等于氧化層電壓和表面電勢之和

考慮功函數差和氧化層電荷的影響，加上平帶電壓即可

C-V特性

堆積模式下，MOS電容的單位面積電容就是柵氧化層電容，為定值

耗盡模式下，MOS電容為柵氧化層和耗盡層電容串聯

總電容隨耗盡區寬度增大而減小，當達到閾值反型點時，耗盡區寬度達到最大，此時總電容最小。

反型情況下，如果反型層電荷能跟上電容電壓的變化（低頻），則總電容就是柵氧化層電容（公式同積累模式）

如果反型層電荷跟不上電容電壓的變化（高頻），則總電容就是閾值反型時的最小電容。

不同的氧化層電荷會導致C-V曲線的平移（只影響平帶電壓），可以用來確定氧化層電荷。

界面態存在時，C-V曲線形狀將會發生變化，因為界面態中的電荷數量會隨著外加電壓變化而變化。

思考

堆積/耗盡/反型的電子/空穴來源是哪里？

在達到閾值電壓前，氧化層壓降和半導體表面電勢之間是如何分配的。