FACULTAD de INGENIERIA

Transcripción

1 Dr. Andres Ozols Laboratorio de Sólidos Amorfos (Depto. de Física) Grupo de Biomateriales para Prótesis GBP (Instituto de Ingeniería Biomédica) TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO, FET, METAL- ÓXIDO-SEMICONDUCTOR FACULTAD de INGENIERIA UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES F.I.U.B.A. Av. Paseo Colón Buenos Aires, Argentina 2007

2 TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO, FET, DE COMPUERTA AISLADA Y FET METAL- ÓXIDO-SEMICONDUCTOR El transsistor de efecto de campo FET de juntura metal-óxido-semiconductor está caracterizado por tener una capa de óxido (SiO 2 ) entre el contacto de compuerta (gate) y el semiconductor. Esta capa de óxido tiene una resistividad muy elevada (ρ > Ω cm) y previene el flujo de corriente desde el semiconductor a la compuerta por medio de una capa de vaciamiento de carga. El MOSFET también es denominado FET de compuerta de aislador (MFET) o FET de metal aislador - semiconductor (MISFET), debido a la importancia de la capa de aislante. Un MOS canal MOS (Fig. 1) es fabricado por difusión de donores en las regiones de fuente (source) y drenaje (drain), formando regiones sobre el Si de tipo p, y creciendo una capa de óxido que actúa como una compuerta de óxido. El canal n está formado por la aplicación de un potencial suficientemente positivo a la compuerta de modo de producir una acumulación de electrones en la región bajo el óxido. Estos electrones forman el canal n y pueden conducir corriente entre las regiones n de fuente y drenaje. El caso más simple del MOSFET es el de una capa metal-óxido sobre un semiconductor tipo p, donde no hay estados superficiales en la interfase óxido semiconductor, ni tampoco hay carga en el óxido. Esto significa que no se produce el doblado de bandas de conducción y valencia en el semiconductor, el nivel de Fermi en el metal y el SC (Fig. 1) Figura 1: Diagrama 3-D y sección transversal del MOSFIET de canal n sobre si de tipo p, mostrando el ancho, W, y largo, L, del canal.

3 Figura 2: MOSFET de canal n sobre Si tipo p, mostrando los niveles de energía, el campo eléctrico, y la distribución de (a) equilibrio de una banda y (b) tensión positiva en la compuerta V G. menor que la requerida para formar el canal n. El potencial aplicado V G de compuerta que distribuido en la capa de óxido, V, y en SC, V G VG = V + VS... (1) El campo eléctrico está dado por: E V t = (2) donde t es el espesor de la capa de óxido. Figura 3: La distribución de carga el campo eléctrico en un MOSFET de canal n sobre Si tipo p, para una tensión positiva en la compuerta V G. menor que la requerida para formar el canal n. Figura 4: MOSFET de canal n sobre Si tipo p con tensión aplicada en compuerta suficiente para formar un canal n, mostrando los niveles de energía, distribución de carga y campo eléctrico.

4 La presencia de un voltaje Vs en el semiconductor conduce al establecimiento de una zona de vaciamiento de carga como es mostrado en la Fig. 3. El campo eléctrico en la superficie del semiconductor es obtenido (como en la barrera Schottky) a partir de la ley de Gauss: E Q ε S = (3) Donde ε es la permitividad del E del Si (ε F/cm) y Q S, es el número de aceptores cargados negativamente por unidad de área en la capa de vaciamiento. Esto es: Q = en d (4) S A P donde N A es la concentración de aceptores y d p es el ancho de la zona de vaciamiento en el Si tipo p. La cantidad carga positiva Q m sobre la lámina metálica (si carga atrapada en el óxido): Q M = Q (5) S Un incremento de la tensión de compuerta V G, produce un aumento de la tensión a través de semiconductor, y las bandas se doblan hasta que algunos electrones libres comienzan a acumularse sobre las superficie del semiconductor. La tensión de compuerta a la que ocurre esto fenómeno es llamada tensión umbral, V T. La estructura de bandas y la distribución de carga de esta situación mostrada en la Fig. 4. El incremento ulterior de la tensión de compuerta incrementa el número electrones acumulados. Si es tomada la aproximación que toda la tensión de compuerta (por encima de V T ) es usada para acumular más electrones y como la capa de vaciamiento no aumenta, puede determinarse el número de electrones libres a partir del concepto de carga en las placas de un capacitor. El espesor del capacitor está dado por t, el espesor de óxido oxide, de modo que el valor de la capacitancia por unidad de área, C, es: C ε t = (6) Donde ε es la permitividad del SiO 2 (ε = ε Si /3 = 0.34 X F/cm). De la relación general VC = Q, la densidad de carga por unidad de área de electrones, está dada por:

5 Figura 5: Característica de capacitancia tensión de un capacitor MOS (alta frecuencia). ( ) Q = C V V (7) n G T La curva característica de capacitancia- tensión de un capacitor MOS es mostrado en la Fig. 5. La capacitancia está determinada por el espesor de capa de óxido para valores de tensión aplicada negativa (ec. 6). La capacitancia disminuye a medida de la capa de vaciameinto se forma y crece para valores de tensión positiva. La capacitancia resulta independiente de la tensión para valores superiores a V T. con un valor de C.C d I(C + Cd), donde Cd es la capacitancia asociada a la zona de vaciamiento. La forma exacta de la característica C-V depende de las frecuencias medidas, el número de cargas interfaciales, y la presencia de cargas móviles y fijas en la capa de óxido. Tensión umbral y la carga del óxido La tensión umbral V T requerida para encender el canal de conductancia es un parámetro importante en la operación de un MOSFET. Los dispositivos reales tienen carga en el óxido y en la interfase óxidosemiconductor. Además, es necesario considerar la influencia del contacto metálico con la estructura del Si sobre el potencial como en el caso de la barrera de Schottky barrera. Entonces, la tensión umbral V T será la suma de todas estas contribuciones: VT = Vms + V + Vd + Vi (8) las distintas contribuciones son debidas a las diferencias de la función de trabajo en la interfase metal - semiconductor (V ms ), la carga en el óxido y en la interfase y en la interfase (V ) y la carga en la región de vaciamiento (Vd), y la tensión requeriad para invertir la superficie (V i ). Considerando cada una des tas contribuciones para un MOS de canal n formado sobbre un substrato tipo p, donde N A = aceptores/cm 3. Si el espesor del óxido es 34 nm, la capacitancia:

6 C ε x F cm = = = 10 F / cm / 6 t 3.4x10 cm 7 2 Tensión de Inversión V i La superficie de Si tipo p será invertida Si (ej., con canal tipo n) cuando el nivel de Fermi de la superficie cruza el punto n = p = n i ). En particular, si se tiene la condición de inversión fuerte donde la superficie sea fuertemente extrínseca de tipo n, como el substrato es fuertemente extrínseco tipo p. En esta situación, la tensión de inversión será equivalente (al doble de la tensión de juntura de un semi-diodo): V i N A = 2kTln ni (9) n i es la concentración intrínsica. Si n i = /cm 3 para Si kt/e como V (T = 300 K), entonces para N A = /cm 3, V i = 0. 6 V Tensión es positiva para un canal n y representa el inicio de una versión fuerte. Tensión de la Región de Vaciamiento, Vd Si V i cae sobre el ancho de la zona de vaciamiento d p = 2ε Si V i en A x x 1.6x10 x dp = = 0.87x10 cm= 0.87µ m El número de aceptores ionizados/cm 2 en la región de vaciamiento N A d P = aceptores/cm 2 la carga Q d

7 Q d = en A = 1.6 X X 0.87 X = 1.4 X 10-8 C/cm 2 Una cantidad negativa. La tensión necesaria para vaciar esta carga es aplicada a través de la capa de óxido es V d Q 1.4x10 C/ cm 8 2 d 1 Vd = = = 1.4x10 V 7 2 C 10 F / cm Tensión V Debido a la Carga de Óxide Q La carga efectiva Q Ox en el ailador es debido aq las cargas extras en la interfase óxido- semiconductor, designada Q SS, y cargas introducidas durante el crecimiento del óxido. El tratamiento cuidadoso de óxidos introduce Q SS = cargas/cm 2 sobre las superficies (100) y cerca de /cm 2 sobre las superficies (111). Esto motiva que los dispositivos MOS estén hechos sobre Si orientado en la dirección (100). Si se asume que el número efectivo de cargas en óxido/cm 2 Q = 6 X /cm 2 X 1.6 X C/cm 2 La tensión negativa sobre el óxido Tensión Metal-Semiconductor V 8 2 Q 10 C/ cm = = = C 10 F / cm 1 V La diferencia de las funciones de trabajo, V MS, entre el metal y el Si dependen del metal y la concentración de dopaje del semiconductor. El Si dopado con Al en una concentración de /cm 3 tiene un valor de V MS aprox- de -0.3 Volts (tipo n) y cerca de -0.9 (tipo p), considerando que la función de trabajo del Al = 4.3 ev y la afinidad electrónica 4.3 ev. La tensión umbral para este MOSFET es V T = = Volt Un dispositivo de canal n (substrato p), es esperable que tenga una tensión umbral positiva para invertir fuertemente la superficie tipo n. El canal n existe para V T =-0.26 Volt para V G = 0 debido a los valores V MS, y V, Dispositivo en modo de vaciamiento

8 Una tensión más negativa que Volt apaga al canal. Este dispositivo es llamado dispositivo en modo de vaciamiento pues está normalmente encendido. Si el dopaje N A es incrementado V T puede volverse positiva debido a que V i y V d son más positivos. Dispositivo en modo de mejoramiento El dispositivo está normalmente apagado cuando V T 0 para un dispositivo de canal n. Una tensión más positive que V T es requireda para formar el canal. Este dispositivo es llamado en modo de mejoramiento (normalmente apagado). El caso de canal p el dispositivo con una compuerta de Al, V T es siempre negativa, pues V MS, V, Vd y Vi todas son negativas. El dispositivo de canal p está en modo de mejoramiento. El aspecto importante de está discusión es que todas las cargas son del orden de /cm 2, equivalentes a 1/10000 cm de una monocapa. Esto significa que deben tomarse precauciones extraordinarias para mantener la limpieza del ambiente. La V T puede manipularse por medio del empleo de las técnicas de implantación iónica. Características Operativas del MOSFET de Canal n y p Las tensiones de polarización y la sección transversal de un MOSFET de canal y la curva característica de I-V son mostradas en las figuras, respectivamente. Cuando la tensión de compuerta V G <V T no hay conexión de canal n entre la fuente y la compuerta. Esto significa que la corriente es nula (I D = 0) en forma independiente del voltage V D. (Esto no es exactamente cierto, pues siempre existe una corriente de pérdida a través de la juntura p-n polarizada en inversa). Para tensiones más elevadas (V G >V T ) y valores de la tensión de drenaje bajos (V D < V T ) el canal n se comporta como una resistencia. El valor de un resistor con Q n electrones por unidad de área con una movilidad µ n está dado por: L R = (10) Weµ n n Donde L y W son el largo y el ancho del canal, respectivamente La conductancia g d del canal n es: g d di dv = D = (11) D VG cte Que en el régimen lineal I D = V D /R es

9 1 W gd = = eµ nqn (12) R L Donde µ n es la movilidad electrónica en el canal. Pero Q C ( V V ) = y n ox G T W = (13) ( ) gd eµ ncox VG VT L Si se asume un valor Q n de electrones/cm 2 o 10-7 /cm 2 y la movilidad de 1000 cm 2 /V g d = 10 En unidades de (ohms) -1 o siemens. Para una compuerta de longitud L de 1 µm y ancho W de 10 µm, g d = 10-3 S o 1 ms. 4 W L La transconductancia mutua g m está definida como g m di D = dv = G VD cte La expresión de g m es aproximadamente dada por la expresión (13) en la región saturación: donde la corriente de drenaje I D permanece casi constante para valores crecientes de V D. Resulta que el potencial varia a lo largo del canal entre la fuente y el drenaje. Como V G y V D son positivas respecto a la fuente (semiconductor tipo p), a medida que V D crece la diferencia de potencial entre la compuerta y el drenaje el canal n disminuye. Este efecto es más pronunciado cerca del drenaje. Si V D es suficientemente grande de modo de que el potencial drenaje a canal cae por debajo de V T, el voltaje de encendido, el canal n casi desaparece y la corriente satura como en las Figs. 6 y 7.

10 Figura 6: Diagrama esquemático de un MOSFET de canal n. Figura 7: Característica I-V de un MOSFET de canal n para tensiones diferentes de compuertas. Las líneas punteadas muestran las tensiones de drenaje al inicio de la saturación. Resumen: Los tres aspectos de la característica I-V de un MOSFET de canal n: 1. La corriente I SD es óhmica (región lineal) para valores bajos de tensión entre fuente y drenaje (V D ). 2. La resistencia del canal crece con V D crecientes y por encima de una tensión V D (sat) la corriente satura y es casi independiente de la V D. 3. El incremento de la tensión de compuerta, V G, provoca el crecimiento de la corriente de saturación. El valor de V D (sat) crece con V G.