MOSダイオード

MOSダイオードの概要

MOSダイオードは金属-酸化物-半導体（MOS）構造を持つダイオードで「MOSキャパシタ」とも称されます。この構造は、P型またはN型のシリコンウェハの表面に絶縁酸化膜（SiO2）を形成し、その上に金属ゲートを配置して構成されます。

MOSキャパシタの利用

MOSキャパシタは、主にランダムアクセスメモリ（RAM）やCCDイメージセンサーなどで用いられています。このようなデバイスにおいて、MOSキャパシタの特性は重要で、性能向上に寄与しています。

エネルギーバンド図

p型シリコンMOSキャパシタのエネルギーバンドを見ると、熱平衡状態では金属ゲートと半導体との仕事関数が異なるため、酸化膜と半導体表面でバンドが曲がります。この結果、フェルミ準位が価電子帯から離れ、空乏層が形成されます。負のゲート電圧をかけると、シリコン基板のバンドが平坦化され、これをフラットバンド電圧（V_FB）と呼びます。この状態では電界が存在せず、電圧をさらに負にすると、正孔がゲート界面に引き寄せられてバンドが上に曲がることにより、フェルミ準位が価電子帯に近づきます。この現象を蓄積と呼びます。

逆に、正のゲート電圧を加えるとバンドが下方に曲がり、フェルミ準位は価電子帯から遠のいて空乏領域が拡大します。一定のしきい値電圧（V_th）を超えると、フェルミ準位が伝導帯に近づき、少数キャリアである電子が生成され反転層が形成されます。しきい値電圧は、半導体表面における電子の状態を大きく左右します。

フラットバンド電圧と閾値電圧

実際にゲートの電圧を上げていくと、空乏層に残る不純物イオンが固定電荷として機能します。しかし、フラットバンド電圧を超えると、反転層における電子密度がシリコン側のフェルミ準位と等しくなる必要があります。しかし、反転層が電子を蓄積し始めると、追加で高い電圧をかけても電子密度は変化しなくなり、空乏層はさほど広がりません。そのため、更に加えた電圧はゲート絶縁膜に吸収されます。

実際には、ゲート絶縁膜内部の電荷や界面準位（Q_ss）によってフラットバンド電圧や閾値電圧も変動するため、MOSキャパシタの挙動はそれらの影響も受けます。

容量-電圧特性

p型シリコンMOSキャパシタの容量とゲート電圧の関係は、C-V特性に示されます。ゲート電圧が大きく負である場合、酸化膜とシリコンの間に生じる電場により正孔が酸化膜側に蓄積され、容量は酸化膜の容量（C_ox）となります。フラットバンド電圧を超える正のゲート電圧がかかると、バンドが下に曲がり始め、空乏層が発生します。このため、容量は酸化膜の容量と空乏層の容量との直列となり、全体の容量が低下します。

さらにゲート電圧が大きく正になると、空乏層が広がることでMOSデバイスの効果は深くなり、状態がlow state（deep depletion）に入ります。充電によって反転層が生成されると、交流電圧の変化に応じて反転層の電荷が増減し、測定容量が酸化膜の容量となります。一方で、高周波での測定時には電圧の変化に反応しきれず、容量は一定値を保つことになります。

ダイオード接続MOS

[ダイオード]]接続MOSは、エンハンスメントモードNチャネルMOSFETのドレインとゲートを短絡した構成で、通常は単方向素子として扱われます。この方式は一般的なダイオードと類似点がありますが、動作電圧の制限が存在します。MOS集積回路]では、寄生[[ダイオードの特性を利用したり、他のFET技術に応じた定電流ダイオードも存在します。これにより、多様な応用が可能となります。

参考文献

• - S. M. ジー『半導体デバイス―基礎理論とプロセス技術』
• - B. L. アンダーソン『半導体デバイスの基礎 （中）』

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