LECCIÓN 9 DISPOSITIVOS METAL/ÓXIDO/SEMICONDUCTOR (MOS / MIS)

Transcripción

1 LEIÓ 9 IPOITIO METL/ÓXIO/EMIOUTOR (MO / MI ITROUIÓ. IGRM E B E LO IPOITIO MO La tructura mtal / óxido /micoductor (MO o mtal / ailat / micoductor (MI o la ba d ua gra varidad d dioitivo tato aalógico como digital, d gra imortacia tcológica (traitor FET-MO, mmoria, rocador, tc. La figura mutra la Mtal Óxido micoductor magitud báica a tr cuta l quma d bada d dicho dioitivo. - El trabajo d xtracció o otcial d ioizació dl mtal Φ M Φ χ dl mtal (Φ M : difrcia d rgía tr l ivl dl vacío y l ivl d Frmi dl mtal. - La bada rohibida dl óxido, mucho má grad qu la dl micoductor (- l cao dl io. E FM E F - La afiidad lctróica dl micoductor (χ M : difrcia d rgía tr l ivl dl vacío y l míimo d la bada d coducció dl mico-ductor, - La bada rohibida dl micoductor. M - - El trabajo d xtracció dl micoductor, qu rá MO IEL (Bada Plaa Φ M Φ róximo a u afiidad lctróica d tio o a la afiidad lctróica má la bada rohibida, i d tio. B PL La iguit figura mutra l quma d bada d u MO idal codicio d bada laa, la qu uomo qu lo ivl d Frmi dl mtal y l micoductor coicid. E aucia d olarizació xtra, l micoductor habrá ua ditribució homogéa d E FM Φ M M O Φ Φ i - χ E F

2 ortador, y o habrá carga igua d la itrfac (o "itrfici": mtal/óxido, óxido/micoductor. MO - IEL E UMULIÓ > UMULIÓ E PORTORE > - - La iguit figura mutra l quma d bada dl MO cuado alicamo ua tió oitiva al mtal, qu atra lctro hacia la itrfaz óxido / micoductor. La difrcia tr lo ivl d Frmi dl mtal y l micoductor igual a la E difrcia d otcial alicada, F multilicada or la carga dl E FM lctró. E ua trcha zoa dl micoductor róxima a dicha itrfaz forma ua zoa d acumulació, la qu l ivl d Frmi tra la bada d coducció. bido a la ditribució ihomogéa d carga, O - l micoductor habrá u otcial d urfici (, M difrcia tr l ivl d Frmi la itrfaz y la zoa utra dl micoductor. RG E EPIO La iguit figura mutra l quma d bada dl MO cuado alicamo ua tió gativa al mtal, qu rl lo lctro d la itrfaz óxido / micoductor. El ivl d Frmi dlaza hacia l ctro d la bada rohibida. E la zoa dl mico-ductor róxima a dicha itrfaz forma ua zoa d agotamito (carga d acio, co ua didad d carga igual a la coctració d imurza ioizada. l ir aumtado l valor aboluto d la tió alicada, matdrá ta ituació d carga d acio mitra l MO - IEL E GOTMIETO < < E FM M O - E F <Φ i

3 otcial d urfici a ifrior a (arimadamt l otcial Φi, difrcia tr l ivl d Frmi y l ctro d la bada rohibida. IERIÓ E PORTORE La iguit figura mutra l quma d bada dl MO cuado alicamo ua tió gativa al mtal, qu rl lo lctro d la itrfaz óxido / micoductor. El ivl d Frmi dlaza hacia l ctro d la bada rohibida. E la zoa dl mico-ductor róxima a dicha itrfaz forma ua zoa d agotamito (carga d acio, co ua didad d carga. MO - IEL E IERIÓ < >Φ i < E FM M E F O -

4 PI E U IPOITIO MO La figura mutra l quma d bada d u dioitivo MO idal a cirta tió d olarizació. M O - E F E FM La carga a ambo lado dl ailat tá ditribuida gú mutra la iguit figura, d mara qu la carga Q M urfici dl mtal cotacto co l óxido db r igual a la carga la zoa d agotamito dl micoductor. Q M d W Q - W El camo y l otcial léctrico l dioitivo varía gú la iguit figura. El otcial total alicado ditribuy tr l óxido y l micoductor: E EQ / aw Por tato, y dado qu la caída d otcial l dioitivo tá ditribuida tr l óxido y l micoductor, la caacidad corrodit tá aociada ri: MO

5 La caacidad dl óxido, al tratar d u ailat rá (or uidad d urfici: /d. Para calcular la caacidad aociada a la carga l micoductor cario rolvr la cuació d Poio: [ ] ( ( ( x x x dx d ρ E cada uto la coctració d lctro y huco ddrá dl otcial (x y i uomo qu o hay dgració: dx d Eta cuació difrcial ud itgrar multilicado or d: d d dx d Obtiédo la iguit cuació: t dx d Para dtrmiar la cotat d itgració, imomo la d qu l límit d la zoa d agotamito o acumulació l camo y l otcial o ulo ( E W x : t lo qu o rmit obtr l valor dl camo léctrico: ( ( x E dx d i tomamo l valor dl camo la itrfa y alicamo l torma d Gau, Q E (, obtmo: Q y la carga total or uidad d urfici l micoductor fució dl otcial d urfici:

6 Q artir d ta cuació rulta imdiato obtr la caacidad or uidad d urfici d la zoa d carga l micoductor: d dq Podmo ahora articularizar a cada ua d la ituacio atriormt dcrita. - cumulació ( < Q La caacidad crc xocialmt co la tió. - gotamito (Φ i > > Q La caacidad dimiuy al aumtar. - Ivrió ( >Φ i Q - Bada laa ( La utitució dircta daría u valor idtrmiado or lo qu alicamo la cuació ara u otcial <<: ( ( licado la cuació d utralidad dl micoductor quilibrio térmico ( - y rcordado la xrió d la logitud d by:

7 omo ra d rar, codicio d bada laa, l camo olo tra l micoductor hata ua ditacia d la urfici dl ord d la logitud d by. oocida la cotribució dl micoductor, odmo calcular la caacidad dl dioitivo MO: L MO - cumulació ivrió ( >> OX MO d La caacidad dl MO cotat igual a la dl óxido. - Bada laa ( ~ OX MO d L MO d L - gotamito ( < OX MO o to cálculo rvio la ddcia d la caacidad dl MO co la tió ría la qu mutra la curva BF la iguit figura:

8 El hcho d qu tgamo qu ditiguir tr BF (baja frcucia y HF (alta frcucia tá rlacioado co la ruta d lo ortador mayoritario y mioritario. E acumulació, la carga urficial d ortador mayoritario or lo qu la carga acumulada varía ráidamt co la variacio dl camo. Igual ucd agotamito, ya qu báicamt la carga acumula al rtirar o acrcar lo ortador mayoritario. La ituació muy difrt ivrió, ya qu la zoa d ivrió tá arada d la zoa utra or ua zoa d agotamito. baja frcucia, lo ortador mioritario ud r atraído a la urfici dd la zoa utra o dd la zoa d carga d acio mdiat mcaimo d gració térmica y la caacidad dl MO coicid co la dl óxido. alta frcucia o hay timo ara atrar lo ortador mioritario a la urfici y la caacidad dl MO quda bloquada la caacidad d la zoa d carga d acio, tal como mutra la iguit figura: Toda la tió cotiua alicada ca la zoa d ivrió, or lo qu la zoa d agotamito mati, a artir d Φ i, a ua tió cotat y la caacidad o varía. E agotamito ivrió débil l MO comorta como ua uió - abruta y l otcial igu ua ly cuadrática: x W ( x W La achura máxima corrod u al valor d al qu miza la ivrió ( Φ i : 4 Φ i WMX El valor d ud timar a artir d la cuacio d la tadítica d lctro y huco: 4 l( / i MX Φ i ( Ei EF l WMX i El valor míimo d la caacidad dl micoductor rá / WMX, y la dl MO: d WMX MO d ( / W MO MX

9 3.- OUTI E U L E IERIÓ: TRITOR FET-MO Uo d lo dioitivo má imortat drivado d la tructura MO l traitor d fcto d camo FET-MO, qumatizado la figura. obr u utrato d tio gra do zoa d tio (la fut y l umidro. E l acio tr amba doita ua caa d óxido y, obr lla, u cotacto mtálico (la urta G. G G > G I G aal d ivrió I E aucia d olarizació d la urta, tr y G la ritcia muy alta or tratar d do uio - ooició. uado G olariza co ua tió oitiva gra ua caa d ivrió la itrfa qu o cotacto léctrico la fut y l umidro, co ua coductacia roorcioal a la tió d urta. Podmo calcular dicha coductacia. uogamo qu la zoa d ivrió ti ua logitud l ua achura a y u groor d. La coductacia rá: da G σ µ l da l omo lo qu coocmo la didad d lctro or uidad d urfici, xramo la coductacia fució d dicha didad como lim ( d G a a µ l l : ( d µ µ d a l d La corrit fut umidro I, rá I G4 G3 G G a I G µ l d La figura mutra la rrtació habitual d la caractrítica I ( ara difrt tio d urta, útil u alicació como amlificador d alta imdacia d trada (dbido al ailamito léctrico tr la urta y lo otro trmial. El traitor FET-MO, uado régim d aturació o cort, tambié la ba d lo circuito bitabl uado lctróica digital, mmoria y rocador.

10 4.- TIEMPO E LMEMIETO: IPOITIO Ua d la má imortat alicacio d la tructura MO o lo dioitivo (dioitivo d acolamito or carga o d carga acolada. La ba coit hacr trabajar u MO codicio d ivrió xtrma fura d quilibrio como dóito d carga. uado u MO o codicio d ivrió xtrma (a la figura, tarda cirto timo alcazar l quilibrio (b la figura. Para calcular timo cariocoidrar como gra lo ortador qu va a formar la zoa d ivrió a artir d ua trama ituada l ctro d la bada rohibida. i uoo qu l timo d catura ara lctro y huco or la trama l mimo, la vlocidad d rcombiació rá: i r τ i uado l MO olariza a cirta tió d ivrió lo ortador o arratrado fura d la zoa d carga d acio or lo qu y rá mucho mor qu i y qudará r i / τ, lo qu igifica qu la zoa d ivrió tardará crar u timo dl ord d τ / r τ /. i Para l ilicio uro timo ud llgar a r d vario miuto or lo qu, durat timo (timo d almacamito l MO olarizado comorta como u ozo d otcial l qu ud almacar catidad dtrmiada d carga grada or iycció o or ilumiació. Eta la ba d lo dioitivo (c la figura. La iguit figura ilutra ua alicació tíica d u la qu cirta carga trafir d u ozo d otcial a otro. a Eta art d la figura mutra la variació tmoral d la tio qu hay qu alicar a lo lctrodo y B do cotigua ara trafrir cirta carga lctróica dl al B. Obviamt, todo lo timo ha d r ifrior al timo d almacamito at dfiido. b Para t<t, la carga tá acumulada l qu, al tar ivrió, u ozo d otcial ara lctro (tal como mutra c

11 d Para t < t<t τ, alica ua tió a b. Iicialmt l ozo B má rofudo y la carga miza a r trafrida d a B. El otcial B miza a ubir al ir lládo d lctro, or lo qu t τ < t<t τ, va dolarizado l ara trmiar la trafrcia. f Para t>t τ la carga ha trafrido comltamt d a B.

12 5.- TRITORE MO (Mtal/itruro/Óxido/micoductor La figura mutra l quma d ua tructura MO (mtal/itruro/ óxido/micoductor qu ud fucioar como mmoria o volátil. baa la oibilidad d almacar carga la itrfa tr do caa ailat (itruro d ilicio/óxido d ilicio. E almacamito oibl orqu lo ailat l timo d rlajació d Maxwll muy largo. a Proco d critura ua mmoria MO: al alicar ua tió oitiva al mtal, lctro dl micoductor aa (or fcto túl d la zoa d acumulació la itrfa O- a la trama d lctro la itrfa - dod ud rmacr durat timo muy largo (año, icluo. b Mmoria activada: lo lctro fijo la itrfa -O rl a lo lctro y atra a lo huco dl micoductor, dado lugar a ua zoa d ivrió. c Proco d borrado: Ua tió gativa alicada al mtal hac qu lo lctro d la trama a trafrido al micoductor. d Mmoria dactivada: al daarcr la carga gativa la itrfa -O, lo lctro vulv a formar ua zoa d acumulació la itrfa O-.

13 Para covrtir t dioitivo u traitor cario dotar d do zoa al dioitivo a ambo lado dl caal coducto, co do cotacto léctrico ulmtario (fut y umidro tal como mutra la iguit figura. E la rimra figura la mmoria tá dactivada y tr la fut y l umidro o aa corrit (hay do uio - ooició. G R G I cumulació - E la guda, la mmoria tá activada y, dbido al caal d ivrió, la ritcia tr la fut y l umidro muy quña. G R G I /R aal d ivrió i cocta ua ritcia mucho má grad qu la dl caal d ivrió tr la alimtació y l umidro, l rimr cao la tió rá la d alimtació (l traitor tá cort: o circula corrit. Por l cotrario lal guda la tió rá rácticamt cro (l traitor tá aturació : circula corrit tr la fut y l umidro. Eta ituacio corrodría a lo valor y i traitor utiliza como bit d mmoria.