Capacitor MOS 2 - Regimes de Polarização - Parte 3
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Capacitor MOS 2
Regiane Ragi
Regimes de polarização
PARTE 3
2
Após ter estudado o capacitor MOS na acumulação e na depleção, nesta
apresentação, vamos estudar o capacitor MOS no regime de inversão
3
Inversão
4
Se agora, aumentarmos ainda mais a tensão de gate Vg, tornando-a cada vez mais e mais positiva, acima da tensão de threshold, VT, chegaremos a uma situação
+
+
++
+
+
+
--
--
-
-
-
-
S
-+VG
+
+
++
+
++
------
-
-
-
-
+
-
-
-------
-
--- SiO2 (óxido)
Silício tipo-p
Silício tipo-n
Gate
SubstratoS
++ Lacunas móveis- Aceitadores fixos- Elétrons móveis
-
5
em que só existirão aceitadores ionizados e praticamente nenhum portador majoritário, no caso lacunas.
+
+
++
+
+
+
--
--
-
-
-
-
S
-+VG
+
+
++
+
++
------
-
-
-
-
+
-
-
-------
-
--- SiO2 (óxido)
Silício tipo-p
Silício tipo-n
Gate
SubstratoS
++ Lacunas móveis- Aceitadores fixos- Elétrons móveis
-
6
+
+
++
+
+
+
--
--
-
-
-
-
S
-+VG
+
+
++
+
++
------
-
-
-
-
+
-
-
-------
-
---
Elétrons, portadores minoritários, começam a aparecer em grande quantidade sob a região do gate, e linhas de campo elétrico adicionais terminam nesses novos elétrons.
SiO2 (óxido)
Silício tipo-p
Silício tipo-n
Gate
SubstratoS
++ Lacunas móveis- Aceitadores fixos- Elétrons móveis
-
7
E surge uma camada de inversão de elétrons sob o gate, a qual pode conectar as duas regiões tipo-n de um MOSFET completo.
+
+
++
+
+
+
--
--
-
-
-
-
S
-+VG
+
+
++
+
++
------
-
---
+
-
SiO2 (óxido)
Silício tipo-p
Silício tipo-n
Gate
SubstratoS
++ Lacunas móveis- Aceitadores fixos- Elétrons móveis
-
8
Vamos em seguida, discutir o diagrama de banda de energia na inversão.
9
Quando a tensão no gate for maior do que a tensão de threshold, VG > Vt, surge uma camada de inversão de elétrons sob o gate, a qual podemos visualizar no diagrama de banda de energia através do
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
10
encurvamento da banda próximo à interface, e o nível de Fermi no metal abaixa ainda mais, com relação ao diagrama apresentado para a condição de threshold.
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
11
Como VG é positivo, as bandas de energia, no semicondutor e no óxido, exibem uma inclinação ascendente.
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
12
A camada de inversão é preenchida com elétrons.
13
A densidade de carga na inversão é representada pela quantidade Qinv (C/cm2).
14
Na inversão, qψs, o encurvamento da banda, não aumenta além de 2ψB, permanecendo constante.
qψs
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
15
Se ψs não aumenta, a largura da região de depleção
Também não aumenta.
16
Isto significa que, a largura da região de depleção alcançou um valor máximo.
17
A tensão no gate é dada pela equação geral
18
A tensão através do óxido é obtida através da equação
19
A tensão no óxido é obtida através da equação
Qsub é toda a carga que pode ser encontrada no substrato, incluindo agora, a carga de inversão.
20
Então,
21
A carga de depleção corresponde à carga devido a largura máxima da região de depleção, que é negativa, porque é devido à íons aceitadores negativos.
22
Conhecendo-se a carga de depleção Wdep e Vox, podemos escrever a partir da equação geral
23
Note que, a primeira parte da equação acima corresponde exatamente à tensão de limiar (tensão de threshold)
24
Então, podemos escrever
25
... E a partir disso, podemos escrever a carga de inversão.
26
Esta equação nos conta que, o capacitor MOS sob forte inversão comporta-se como um capacitor, com um deslocamento Vt.
27
Em Vg= Vt, a carga de inversão
28
qψs
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
Podemos admitir que elétrons aparecerão na camada de inversão, sempre que a proximidade entre Ec e Ef , na interface, sugerem a sua presença.
29
No entanto, poderíamos fazer a seguinte pergunta:
30
De onde vem esses elétrons do canal de inversão ?
31
Sabemos que no MOSFET de canal-n, com o substrato tipo-p não existe doadores no material.
32
Então pode nos parecer um pouco confuso o aparecimento desse canal de inversão.
33
Uma forma de explicarmos esses elétrons é através do fenômeno de geração térmica.
34
Lembre-se que, em semicondutores, há sempre alguns pares elétron-lacuna sendo gerados por excitação térmica em qualquer instante.
35
Elétrons são criados na região de depleção, são capturados pelo campo elétrico, e são varridos até a extremidade do gate.
36
Além disso, em um dispositivo MOS real existem duas regiões tipo-n, e seria relativamente fácil para elétrons de uma região, ou de ambas, "cair" no poço de potencial sob o gate, e criar uma camada de inversão de elétrons.
37
Em resumo, nesta situação, dizemos que no dispositivo formou-se uma camada de inversão de elétrons sob o gate, e esta camada de elétrons conecta as duas regiões tipo-n do dispositivo, e é responsável pelo fenômeno de condução de corrente no MOSFET.
38
Em outras palavras, os elétrons de inversão são fornecidos pelas junções n+ do MOSFET.
substrato tipo-p
tipo-n+ tipo-n+
MetalÓxido
Semicondutor
39
A camada de inversão pode ser visualizada como uma camada n muito fina, consequentemente, o termo inversão, refere-se à inversão do tipo de condutividade da superfície.
substrato tipo-p
tipo-n+ tipo-n+
MetalÓxido
Semicondutor
40
O transistor MOS como mostrado abaixo é uma estrutura mais versátil para se estudar o sistema MOS do que o capacitor MOS.
substrato tipo-p
tipo-n+ tipo-n+
substrato tipo-p
tipo-n+ tipo-n+
substrato tipo-p
tipo-n+ tipo-n+
Vg Vg > Vt Vg > Vt
- - - - - -
41
O comportamento da superfície de inversão é melhor compreendido, considerando-se a junção p-n de reserva do capacitor MOS, para suprir a carga de inversão.
substrato tipo-p
tipo-n+ tipo-n+
substrato tipo-p
tipo-n+ tipo-n+
substrato tipo-p
tipo-n+ tipo-n+
Vg Vg > Vt Vg > Vt
- - - - - -
42
... E pode ser pensada também como uma camada fina tipo-n.
substrato tipo-p
tipo-n+ tipo-n+
substrato tipo-p
tipo-n+ tipo-n+
substrato tipo-p
tipo-n+ tipo-n+
Vg Vg > Vt Vg > Vt
- - - - - -
43
Escolha de Vt e do tipo de dopagem
44
O transistor de substrato tipo-p opera em um circuito
integrado com Vg oscilando (swinging) entre zero e
uma tensão de alimentação positiva.
45
Para tornar o projeto de circuito mais fácil, é rotineiro definir Vt em um valor positivo pequeno, por exemplo, 0.4 V, de modo que, em Vg = 0, o transistor não tenha nenhuma camada de inversão, e corrente não flua entre as duas regiões tipo n+.
46
Um transistor que não conduz corrente em Vg = 0 é chamado em inglês de
ENHANCEMENT TYPE DEVICE
ou dispositivo do tipo enriquecimento ou intensificação,
Termos usuais na literatura científica brasileira.
47
O valor de Vt pode então ser obtido com um gate n+ e uma conveniente concentração de dopagem Na no substrato, simplesmente usando-se a equação obtida
48
Se o dispositivo de substrato tipo-p fosse pareado com um gate tipo p+, Vt seria muito grande, acima de 1 V, e necessitaria de uma alta tensão de alimentação.
49
O que levaria a um grande consumo de energia e muita geração térmica.
50
Analogamente, um substrato tipo-n é rotineiramente pareado com um gate p+.
51
Em resumo,
i. um corpo ou substrato tipo-p é rotineiramente pareado com um gate tipo n+ para se obter uma
pequena tensão de threshold positiva, e
ii. um corpo ou substrato tipo-n é rotineiramente pareado com um gate tipo p+ para se obter uma
pequena tensão de threshold negativa.
52
Outras combinações de gate-substrato são quase sempre nunca encontrados.
53
Revisão
Regimes de operação no MOS - Revisão
As condições de operação no MOS dependem do potencial VG aplicado ao contato de metal com respeito ao nível de Fermi do semicondutor aterrado
MetalÓxido
SemicondutorVG
Nota: Sempre em nossas apresentações, chamamos de Metal o eletrodo de gate, que
pode ser metal, ou silício policristalino.
54
Regimes de operação no MOS
Para entendermos os diferentes modos de polarização de um MOS nós consideramos três faixas de tensão:
55
Regimes de operação no MOS
Para entendermos os diferentes modos de polarização de um MOS nós consideramos três faixas de tensão:
Esses regimes são chamados:
• Abaixo da tensão de flat-band, Vfb
• Entre Vfb e Vt,
• E maiores que Vt.
VG < Vfb
Vfb < VG < Vt
VG > Vt
Vfb Vt
Acumulação Depleção Inversão
56
Acumulação
Ocorre quando se aplica uma tensão VG < Vfb.
Neste caso, apenas uma pequena quantidade de
encurvamento de banda no semicondutor, ψs, é necessária para acumular a carga de acumulação, de modo que quase toda a variação de potencial encontra-se dentro do óxido, Vox = VG.
Vfb Vt
Acumulação Depleção Inversão
57
Depleção
Ocorre quando se aplica uma tensão Vfb < VG < Vt.
Em geral, as cargas móveis no semicondutor são empurradas pela tensão no gate, e uma região de depleção se forma no semicondutor, se estendendo desde a interface óxido-semicondutor até uma largura Wdep dentro do semicondutor.
Vfb Vt
Acumulação Depleção Inversão
Wdep
58
Inversão
Ocorre quando se aplica uma tensão VG > Vt.
Quando há um aumento adicional na tensão de gate os portadores minoritários excedem os portadores majoritários e dizemos que o MOS está operando no regime de inversão.
Vfb Vt
Acumulação Depleção Inversão
Wdep
59
Regimes de operação no MOS
Vfb Vt
Acumulação Depleção Inversão
GATE ÓXIDO SUBSTRATO Tipo-p
EFM
EFSM
EV
EC
M O S
qVg < qVfb
qVox
qψs
χSiO2
ϕM
EFM
EFSM
EV
EC
ϕsχSi
M O S
E0
qVg = qVfb
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
AcumulaçãoVG < Vfb
Flat-bandVG = Vfb
DepleçãoVfb < VG < Vt
InversãoVG > Vt
60
Usando-se considerações de polarização análogas ao de um MOS de substrato tipo-p, obtenha também o diagrama de banda de energia do MOS de substrato tipo-n para cada regime de polarização.
GATE ÓXIDO SUBSTRATO Tipo-n
Exercício
61
62
Em seguida, tendo já estudado em detalhes os regimes de polarização do capacitor MOS, na próxima apresentação, iremos estudar a característica C-V do MOS.
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Referências
64
http://www.eecs.berkeley.edu/~hu/Chenming-Hu_ch5.pdf
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/T5.PDF
https://cnx.org/contents/uypBDhNi@2/Basic-MOS-Structure