CASTAÑEDA VÁZQUEZ ALEJANDRO UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MÉXICO INSTITUTO DE CIENCIAS NUCLEARES

Transcripción

1 CASTAÑEDA VÁZQUEZ ALEJANDRO UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MÉXICO INSTITUTO DE CIENCIAS NUCLEARES

2 ESTRUCTURA DEL CAPACITOR MOS El acrónimo MOS proviene de Metal-Oxide- Semiconductor. Antes de 1970 se utilizaban típicamente metales como Al para fabricar la compuerta. Después se utilizo silicio poli cristalino fuertemente dopado (poly- Si). En 2008 se reintrodujo la fabricación de metales para la elaboración de la compuerta y se comenzó a sustituir el SiO2 con dieléctricos mas avanzados.

3 ESTRUCTURA DEL CAPACITOR MOS Un capacitor p-mos consiste en un sustrato de silicio (e.g., dopado con boro), un dieléctrico, (e.g., una capa de oxido de silicio crecido térmicamente de aproximadamente 1000 Å de espesor) y una compuerta conductiva que es depositada (usualmente poly-si dopado).

4 DESCRIPCIÓN CUALITATIVA DE FUNCIONAMIENTO CAPACITOR MOS CONSTRUIDO SOBRE SUSTRATO TIPO P Acumulación Depleción Inversión

5 Acumulación Aplicación de voltajes lo suficientemente negativos. Formación de una capa superficial tipo p. La concentración de huecos puede verse como el segundo electrodo de un capacitor de placas paralelas con el electro de la compuerta. Ya que la capa de acumulación está en contacto óhmico con el sustrato tipo p la capacitancia debe ser aproximadamente igual a C OX = ε OX A T OX donde A es el área del electrodo de la compuerta, ε OX es la permitividad del SiO X y T OX es el espesor del aislante de la compuerta (cm).

6 Acumulación

7 Acumulación Por la concentración de huecos debida a V G1 el nivel de Fermi se ubica cerca del borde de la banda de valencia. Cuando se llega al equilibrio térmico, el nivel de Fermi permanece constante.

8 Depleción Con una polarización positiva en la compuerta, los huecos son alejados de la superficie, dejando detrás átomos aceptores (boro) descompensados, negativamente cargados. El número de huecos alejados iguala el número de cargas positivas en electrodo de la compuerta, i.e., Q i = qn A x d donde Q i es la concentración de carga de aceptores ionizados bajo la compuerta, x d es la profundidad de la región de depleción (cm) y N A es la concentración de impurezas atomos cm 3. La región de depleción es no conductiva y actúa como aislante con una capacitancia de C DEP = ε Si x d donde C DEP es la capacitancia de depleción F cm 2, y ε Si es la permitividad del silicio 1.04 X

9 Depleción La capacitancia neta C T relativa al sustrato es, en estado de depleción, la combinación serial de la capacitancia del oxido, C OX, y la capacitancia de la zona de depleción, C DEP ; i.e., C T = C OX C DEP Las capacitancias del oxido y de la zona de depleción pueden ser sumadas a otras capacitancias asociadas con un pixel para obtener una capacitancia total. Esta capacitancia total es usada para calcular el poder de disipación para una CCD y los requerimientos del reloj controlador para transferir la carga.

10 Depleción

11 Depleción Bajo condiciones de depleción el nivel de Fermi cerca de la superficie del silicio ser moverá a una posición más cerca del centro de la región prohibida.

12 Depleción

13 Profundidad de la zona de depleción x d = ε Si C OX + ε Si C OX 2 + ε SiV G 2qN A x d aumenta con incrementos de V G y disminuye con incrementos de N A. Nótese que esto es verdad si el primer término dentro de la raíz es pequeño en comparación con el segundo término. Si C OX fuese muy pequeño, entonces dominaría el primer término dentro de la raíz y variando V G o N A tendríamos poco efecto sobre la profundidad de la depleción.

14 Inversión Con un voltaje cada vez más positivo, la superficie de la región de depleción continuará aumentando hasta que se observa la aparición de la inversión superficial. Esta inversión consta de electrones de la banda de conducción que son atraídos hasta la superficie del silicio para formar una capa de inversión tipo n.

15 Inversión

16 Inversión Ya que la capa superficial del silicio ha sido fuertemente invertida a causa de la acción del campo en la compuerta, el nivel de Fermi cerca de la superficie del silicio estará cerca de la banda de conducción.

17 Inversión

18 Qué pasa con la carga?

19 Qué pasa con la capacitancia?