capacità mos
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Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 1LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 1
Capacità MOSStrato di ossido su di un semiconduttore drogato pUn contatto metallico è deposto sull'ossidoLo strato di ossido isola il metallo dal semiconduttore → No corrente
Caso ideale:
• A zero bias
(Condizione di bande piatte)
• Non ci sono stati di interfaccia tra
semiconduttore e isolante
• I livelli di energia sono disposti così da
eliminare ogni gradiente di potenziale
• Alta barriera tra metallo e semiconduttore
0 smfb qqV
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 2LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 2
Capacità MOSLa piegatura delle bande è determinata dalla differenza di funzione lavoro tra metallo e semiconduttore. =0Può essere positiva o negativa in funzione della scelta del metallo e del semiconduttore (e del drogaggio di quest'ultimo)Nel caso illustrato il metallo è a un potenziale Vfb negativo rispetto al semiconduttore.Applicando un potenziale esterno (positivo) si ripristina la condizione di bande piatte
Campo di polarizzazione dielettrica
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 3LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 3
Capacità MOS
Inversione: applicando un bias ancora più positivo la
densità di carica negativa all'interfaccia sul lato
semiconduttore aumenta fortemente.
(livelli accettori saturi + cariche libere) Localmente (nel canale conduttivo) diventa tipo-n
La tensione massima di inversione dipende dall'isolante e la sua interfaccia (assenza di difetti di
interfaccia)
Svuotamento: applicando un bias più positivo si
inverte la piegatura delle bande (VGS>-Vfb ).
Accumulo di carica negativa sul lato semiconduttore
(si accumulano nei livelli accettori – cariche fisse)
Tre diversi regimi di funzionamento
Accumulazione di buche: applicando un bias negativo
(NB piegamento delle bande maggiore di quello a Vfb).
Cariche negative accumulate sul lato metallo e cariche
positive sul lato semiconduttore
Fino a 0<VGS=-Vfb Condizione di bande piatte
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 4LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 4
Capacità MOSMettiamo in relazione la piegatura delle bande eVs con la differenza tra l'energia di
Fermi intrinseca e l'energia di Fermi di bulk EFi -EF = e
Quando Vs è nullo le bande sono piatte.
Fissiamo come criterio per l'inversione che Vs(inv)=-2F ovvero che la concentrazione
di portatori n all'interfaccia sia pari alla concentrazione di portatori p di bulk (per un
semiconduttore p)
E' un criterio arbitrario ma il senso è che all'inversione si hanno all'incirca 1011cm-2 elettroni nel canale conduttivo sotto il Gate.
i
BF n
peTk ln
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 5LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 5
Soglia MOSLa carica accumulata sul metallo Qm (positiva) è bilanciata dalla carica sul semiconduttore costituita
dalle cariche di svuotamento Qd (per la piegatura delle bande buche si allontanano dalla superficie
lasciando i livelli accettori carichi negativamente) e dalle cariche libere create in banda di conduzione Qn
La tensione di Gate può essere scritta VGS = Vfb + Vox + Vs
Legge di Gauss sulla interfaccia Continuità di D
Capacità per unità d'area dell’ossido
Alla tensione di soglia VT alla quale inizia l'inversione la carica è solo quella di svuotamento Qs=eNaW
sss FQ
a
ss
eNV
W2
sass VeNQ 2
oxoxss FF
ox
s
ox
ssox
ox
ssoxoxox C
QC
FdFdFV
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 6
Polarizzazione MOSSe il substrato è polarizzato ad una tensione Vsub, anche la tensione di gate per la soglia aumenterà
Se c’è una tensione tra sorce e substrato VSB il potenziale di superficie necessario a produrre inversione diverrà -2F+VSB
Se nell’ossido sono presenti impurezze con densità di carica Nt(z) ci sarà una caduta di potenziale aggiuntiva
L’effetto delle cariche di carica di interfaccia è max all’interfaccia ossido-semiconduttore
subTGS VVV
ox
SBFasFfbT C
VNeVV
2/1222
dzd
zzNC
eV oxd
ox
t
oxT
0
)(
LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 6
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 7LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 7
Caratteristica Tensione-CapacitàLa capacità del Gate è costituita dalla serie della capacità dell'ossido e di quella del
semiconduttore
In regime di accumulazione (tensione di gate negativa) le buche si accumulano sulla superficie e la capacità Cs diventa molto larga: piccole variazioni di tensione generano grandi variazioni di carica
Per tensioni di gate positive il canale si svuota di buche, la capacità Cd diventa importante
Per tensioni di gate positive ancora più marcate cominciano ad accumularsi cariche libere e la regione di svuotamento non si accresce più. la capacità Cs torna a crescere
Abbiamo assunto che le cariche libere nel regime di inversione sono fornite istantaneamente ma questo non è il caso. Queste in realtà vengono da generazione di coppie e diffusione di portatori minoritari. Contributo presente solo a bassa frequenza.
oxmos CC
oxmos CC
sox
mos
ox
oxox
s
ss
CCC
dC
dVdQC
111
WdC
WCC
s
oxox
oxmos
sds
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 8LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 8
Effetto delle impurezze
La presenza di cariche fisse porta ad una caduta di potenziale sull’ossido
Per cariche positive si ha lo spostamento della curva verso valori più negativiIndipendente dalla polarizzazione quindi shift rigido.
ox
ss
CQV
Stati di impurezze all’interfaccia generano stati accessibili a elettroni nel semiconduttore con occupazione dipendente dal livello di Fermi e quindi dalla tensione applicata.L’effetto è di spianare la curva
LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 8
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 9LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 9
Transistor MOSFETAbbiamo visto come si comporta il condensatore MOS sul gate. La creazione di cariche libere apre un canale conduttivo tra source e drain. Il MOSFET è un dispositivo estremamente importante.Le assunzioni fatte in precedente sono applicate anche in questo caso- La mobilità degli elettroni è costante e indipendente dal campo - Il canale conduttivo ha uno sviluppo bidimensionale. Approssimazione di canale graduale. Il campo nella direzione gate-substrato è molto più forte che nella direzione source-drain. Il potenziale lungo il canale varia lentamente
Vc(x) Tensione oltre la soglia di inversione lungo il canale conduttivo)(xV
CQVV c
ox
sTGS
Zdx
xdVQFAI cnstrasvD
)(
DSDS
TGSoxn
L
cnsD
L
D
VVVVZC
xdVZQLIdxI
2
)(00
Strizzamento per VDS(sat)
Oltre la situazione di pinch-off la corrente rimane costante
TGSsDS VVLxQV 0)(
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 10LM Fisica A.A.2013/14
Caratteristiche I-Vpinch-off
Regione lineare o Ohmica
Regione di saturazione
VDS<VDS(sat)=VGS-VT
VDS>VDS(sat)=VGS-VT
TGSDS
DSTGSox
s
VVsatV
satVVVC
satQ
2
22
2
2
2
2
TGSoxn
TGSTGS
oxn
DSDSTGS
oxnD
VVL
ZC
VVVVLZC
VVVVLZCI
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 11LM Fisica A.A.2013/14 Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 11
Caratteristiche I-VRegione lineare o Ohmica
La mobilità nel canale MOSFET è ridotta a causa dello scattering all'interfaccia Si-SiO2
Conduttanza di drain (va minimizzata)
Regione di saturazione
TransconduttanzaMax per piccole L e grandi
TGSoxn
DS
DD VV
LZC
VIg
constGSV
TGSoxn
GS
Dm VV
LZC
VIg
constDSV
2
2DS
DSTGSoxn
DVVVV
LZCI
DSTGSoxn
D VVVLZCI
2
2 TGSoxn
D VVL
ZCI
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 12
Effetti della tensione di substrato
La tensione source-Substrato VSB è una variabile addizionale. Se questa è zero o positiva la giunzione source-substrato è polarizzata inversa. Per VSB=0 la condizione di inversione avviene per Vs = -2F Se VSB>0 la tensione di superficie è aumentata di una quantità VSB
Lo spessore di svuotamento aumenta per assorbire l'aumento di potenzialeLa variazione di tensione di soglia è
FSBFox
asT V
CNe
V
222
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 13
Configurazioni MOS
Aumentando la tensione di gate fino ad una tensione positiva VT arriviamo all'inversione e il dispositivo inizia a condurre, si accende.E' la configurazione illustrata finora. Configurazione in modo di incremento Ma c'è una configurazione alternativa in cui il dispositivo è acceso in assenza di polarizzazione di gate. E che si spegne quando è applicata una tensione di gate.Configurazione in modo di svuotamentoSu di un substrato di tipo p si crea un sottile canale di tipo n facendo diffondere uno strato di donori tra i due contatti (source e drain) n+ Dopodiché si crea lo strato di ossido e il gate.Il dispositivo ha normalmente un canale conduttivo finché non imponiamo una tensione che inverte la popolazione dei portatori.
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 14
Complementary MOSFET CMOS
Un dispositivo in modo di svuotamento è acceso se il gate non è polarizzato e il gate può essere usato per spegnere il dispositivo.Come ogni FET il dispositivo sarà conduttivo in uno degli stati. Questo causa dissipazione di potenza nel circuito. In un circuito integrato ciò può causare problemi seri.Per evitare ciò si combina un dispositivo a n-canale in serie a un p-canale sullo stesso chip.Il drain del n- e del p-MOSFET sono connessi e formano l'uscita. L'ingresso è portato ad entrambi i gate. Il dispositivo PMOS ha soglia negativa mentre il NMOS ha tensione di soglia positiva.Quando una tensione di ingresso nulla è applicata all'ingresso la tensione tra sorgente e gate del dispositivo NMOS è zero ed il MOSFET è spento. Invece la tensione tra gate e source del PMOS è -V perché il source è a +V; e il PMOS è acceso. La tensione di uscita è quindi V. E viceversa.NON SCORRE CORRENTE ATTRAVERSO IL CANALE SOURCE-DRAIN-SOURCE
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 15
Long channel MOSFETProcesso di inversione puntuale. No-conduzione fino a soglia poi conduzione completa.In realtà i portatori nel canale cambiano gradualmente con la tensione di gate.Corrente aumenta gradualmente e anche se spento il dispositivo consuma potenza nello stato OFF.Conduzione sotto sogliaMeccanismo dominante è diffusione
TGs VV
kTVqi
kTqi
DFs
Fs
enLn
enn/
/
)(
)0(
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 16
Long channel MOSFETVariazioni della mobilità con il gate biasAbbiamo assunto che la mobilità non varia con la tensione di gate. La densità di elettroni varia con la tensione di gate ed è legata al campo sulla superficie Fs: aumentando la carica di superficie aumenta il campo di superficie e gli elettroni sono forzati in prossimità dell'interfaccia dove subiscono maggior scattering e la mobilità degrada.
Variazioni della mobilità con il campoLa mobilità non è indipendente dal campo applicato. Ad ad alto campo sovrastimiamo la mobilità.
s
n
n
vFμ+
Fμ=Fv1
Fattore di riduzione
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 17
Long channel MOSFETModulazione della lunghezza del canale in regione di saturazioneQuando VDS>VD(sat) il canale si strizza all'estremo del drain e la corrente rimane costante. Ma il canale si accorcia e quindi la corrente aumenta
Effetti di radiazione e breakdownRadiazioni ionizzanti (applicazioni spaziali) generano cariche fisse e di interfaccia.La tensione di soglia si sposta. Perdita di funzione di circuito e inusuale dissipazione.Il brakdown avviene per rottura dell'isolante che può essere molto sottile.
DS
DD VΔLLLsatI=I
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 18
MOSFET come caricoResistenze anche alte su piccole (o piccolissime) aree.
MOSFET in modo aumentato Drain e gate sono accoppiati. Resistenza nonlineare (Dispositivo sempre in saturazione)
MOSFET in svuotamento Source e gate accoppiati VGS=0
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 19
MOSFET come inverterSi costruisce uno switch accoppiando ad un opportuno carico resistivo RL (può essere anche un altro MOSFET)
MOSFET in svuotamento. Linea di carico è una retta con intercetta VDS(ID=0)=VDD e ID(VDS=0)=VDD/RL
DDDSDL V=VIR
Fisica dei Dispositivi a Stato Solido - F. De Matteis 20
CCD Charge Coupled DeviceImmagazinamento di carica e azione di trasferimento controllato dal Gate. Tutti gli elettrodi sono polarizzati positivamente per produrre uno svuotamento di superficie. L’elettrodo centrale è svuotato di più. Buca di potenzialeCariche minoritarie (elettroni) sono introdotti e poi passo passo trasferite a destra
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