3. 6.1 MOS 二極體 為 MOSFET 的核心部分：由上往下之材料分別為金屬、氧化層及半導體。 氧化層的厚度 通常 Si 底材是接地的，故金屬對於歐姆接面為 正偏壓時， V 為正；反之， V 為負。
4. 6.1.1 The Ideal MOS Diode 理想的 MOS 二極體定義： 在沒有外加偏壓時（即熱平衡狀態），金屬功函數 q ? m 和半導體功函數 q ? s 的能量差為零，即 功函數差 q ? ms 等於零。 其中 q ? B : 為費米能階 E F 和本質費米能階 E i 的能量差 qχ: 半導體電子親和力 換句話說，當無外加偏壓，能帶是平的（稱為平帶狀態 flat band condition) 。
6. 理想的 MOS 二極體定義（續） 於任意偏壓下，二極體裡的電荷只有半導體電荷和靠近氧化層的金屬表面電荷兩種，二者的電量相同但極性相反。 在 DC 偏壓下，沒有載子流過氧化層，即氧化層的電阻是無限大。 綜合以上所述，可知理想的 MOS 二極體相當於一個平行板電容器的特性
7. 非平衡狀態下之能帶圖（ p 型） 當偏壓不為零時，能帶圖兩側因下拉、上移會彎曲。 半導體的載子密度和能量差呈指數關係 , 如下式 能帶圖彎曲使 E F 與 E i 的差改變，形成以下之情形： 聚積 (accumulation): V < 0 空乏 (depletion): V > 0 反轉 (inversion): V > 0
8. 非平衡狀態下之能帶圖（ p 型） V < 0 ，因於表面形成電洞堆積，故稱 accumulation 電洞受電場影響上移 於表面形成電洞堆積 E F 更靠近 E v ，故電洞大增
9. 非平衡狀態下之能帶圖（ p 型）（續） V > 0 ，因電洞遠離表面，故形成空乏區。 E F 更遠離 E v ，故電洞減少，剩下固定的受體離子 V 越大， W 越大。
10. 非平衡狀態下之能帶圖（ p 型）（續） V >> 0 時， E F 遠離 E v 且 E F 已超過 E i ，此種情形為 n 型之能帶，故 p 型半導體表面之載子變為電子，稱為反轉。
11. 非平衡狀態下之能帶圖 （ n 型） V << 0 時， E F 遠離 E c 且 E F 已超過 Ei ，此種情形為 p 型之能帶，故 n 型半導體表面之載子變為電洞。
12. 非平衡狀態下之能帶圖（ p 型） Ψ s 〈 0 ：電洞聚積 Ψ s ＝ 0 ：平帶狀況 Ψ B 〉 Ψ s 〉 0 ：電洞空乏 Ψ s = Ψ B ： n s = n p = n i Ψ s 〉 Ψ B ：反轉 Ψ s 〉 2Ψ B ：強反轉 ? s ：表面電位 當表面電子濃度 n s = N a 時，稱為強反轉。 bulk 由半導體電子濃度公式可得
13. 空乏區寬度 在空乏與反轉狀態下都有空乏區。 同 n + p 接面之電荷、電場、電位分析，可知 當強反轉時，偏壓略有改變，電子濃度會大量增加（指數函數關係），故空乏區電荷的改變不大，可說此時 空乏區寬度已達最大值。
35. 平帶電壓 V FB （續） 當 V G = V FB 時， ? s = 0 ，故可得： 氧化層所跨電位可以下分析得知： 平衡狀態 平帶狀態 平帶狀態下，假設氧化層電荷 Q O 存在與半導體之界面處（即 x 0 = d ），則可得： （假設無功函數差） V ox FB
36. 平帶電壓 V FB （續） 若氧化層中之電荷為任意分佈（一般情形），平帶電壓可表示為： 再考慮功函數差，並忽略界面陷阱電荷，平帶電壓會變為：
37. 氧化層電荷對 CV 圖的影響 其中平帶電壓狀態介於聚積狀態與空乏狀態之間： 由平帶電壓公式可知： (Qo 包括 Qf 、 Qot 、 Qm) Q o 為正時，平帶電壓會比 ? ms 小 Q o 為負時，平帶電壓會比 ? ms 大
38. 氧化層電荷對 CV 圖的影響（續） 由平帶電壓的分析可知，當氧化層電荷為正時， CV 圖會往 左 平移 ，且電荷越多，平移量越多 ； 當氧化層電荷為負時， CV 圖會往 右 平移 。 Q o 包括：固定氧化層電荷 Q f 、氧化層陷住電荷 Q ot 以及移動性離子電荷 Q m 。
39. 界面電荷對 CV 圖的影響 表面週期性終止，有懸鍵產生，在禁制能帶會形成界面態階。 電荷可在半導體與界面態階之間流動，隨著偏壓之改變，界面態階與費米能階的相關位置不同，界面的淨電荷也會改變。 一般而言，在 E Fi 上方的稱為受體態階，在 E Fi 下方的稱為施體體態階。 施體態階： 因費米能階在 施 體 態 階 之上（填滿）時，為電中性；費米能階在 施 體 態 階 之下（空的）時，為帶 正 電。 受體態階： 因費米能階在受 體 態 階 之下（空的）時，為電中性；費米能階在 施 體 態 階 之上（填滿）時，為帶 負 電。
40. 界面電荷對 CV 圖的影響（續） 聚積狀態下（偏壓為負），受體態階都在費米能階之上，故為中性；但部分施體態階在費米能階之上，故為帶正電。 即 聚積狀態下，界面淨電荷為正 。 偏壓轉為正，當 E F 正好等於 E Fi 時，受體態階都在費米能階之上，故為中性；施體態階 都在費米能階之上 ，故也為中性。 即偏壓由負轉正時，正好有一個狀態（中間能隙）， 界面淨電荷為零 。 以 p 型半導體為例：
46. 6.1.3 電荷耦合元件（ CCD ） Figure 6.13. Cross section of a three-phase charge-coupled device. 4 ( a ) High voltage on ? 2 . ( b ) ? 3 pulsed to a higher voltage for charge transfer. 由一連串 MOS 二極體陣列構成，可做信號處理及影像感測。
47. 6.2 MOS 的基本原理 基本的 MOSFET 結構 加適當的閘極電壓使得閘極下方產生反轉層，形成通道，連接源極與汲極區。源極為載子的來源，經過通道流向汲極。 當基板為 p 型時，載子為電子，故電流由汲極流向源極 ； 當基板為 n 型時，載子為電洞，故電流由源極流向汲極。 L ：通道長度 Z ：通道寬度 d ：氧化層厚度 r j ：接面深度 閘極 源極 汲極
48. 6.2.1 基本特性 V G < V T ，源極到汲極間好似二個背對背的 pn 接面，加一汲極電壓，只有微弱的逆向漏電流。 V G > V T ，半導體表面產生反轉電子，只要加一點汲極電壓，可使電子由源極流向汲極，產生通道電流 I D 。 理想狀況下，閘極電壓只控制反轉電子的多寡，不會使電子通過氧化層至閘極端。 很小
55. 飽和區（ Saturation region ） 當 V DS 漸增，靠近汲極附近的氧化層所跨的電壓減少，產生反轉電荷的能帶彎曲減少，故反轉電子減少， I D -V DS 圖的斜率漸減。 當汲極電壓增加至使跨於汲極端氧化層電壓恰等於 V T ，此時反轉電子密度為零（稱為夾止 ) ，故 I D -V DS 圖的斜率變為零，即電流維持不變，達到飽和。 此時
56. 飽和區（續） 當汲極電壓大於 V DS(sat) 反轉電荷為零的點往源極移動，此時電子注入空間電荷區，在藉由電場掃至汲極。 當 V DS > V DS(sat) ， p 點的電壓仍為 V DS(sat) ，故 I D 維持不變。 電場
67. 次臨限區（續） 在此區電流主要是擴散電流而不是飄移電流，與 載子濃度 梯度有關，故電流關係式中有指數項： 因 定義次臨界擺幅 (subthreshold swing) ： S 越大，表示 I D 隨 V G 的變化越小， on-off 特性不明顯； S 越小，表示 I D 隨 V G 的變化越大， on-off 特性顯著。
68. 6.2.2 MOSFET 的種類 N 通道增強模式 N 通道空乏模式 P 通道增強模式 P 通道空乏模式 基板為 p 型半導體，汲極與源極為 n 型摻雜。 基板為 n 型半導體，汲極與源極為 p 型摻雜。
