Transistor de Efecto de Campo xido-semiconductor MOSFET

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Jaime Aguirre Caballero
hace 8 años
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1 Transistor de Efecto de Campo Metal-Óxido xido-semiconductor MOSFET Dr. Andres Ozols FIUBA 2007 Dr. A. Ozols 1

2 ESTRUCTURA MOS de DOS TERMINALES Dr. A. Ozols 2

3 Capacitor metal-óxido-sc MOS Estructura del transistor puede a partir de esta capacitor capacitor con placas separadas por material dieléctrico y polarizado con una tensión V La capacitancia por unidad de área C = t ε ε Permitividad del óxido (aislador) La carga del acumulada por unidad de área Q = CV Dr. A. Ozols 3

con una tensión V La capacitancia por unidad de área C = t ε ε Permitividad del

4 Capacitor MOS (Sustrato tipo p) El Campo eléctrico generado en la capa de óxido E = V t Esto produce carga negativa sobre la placa superior y el campo apunta hacia arriba Capa de acumulación de huecos en la situación estacionaria Si el campo E penetra al SC tipo p los portadores mayoritarios (huecos) son acelerados del SC hacia la capa de óxido Dr. A. Ozols 4

acumulación de huecos en la situación estacionaria Si el campo E penetra al SC tipo p los

5 Carga espacial inducida en el caoacitor La inversión de polaridad del capacitor genera una capa positiva por encima de la placa y el campo generado y que penetra al SC arrastra a los huecos lejos de la capa de óxido Este desplazamiento genera una zona de carga espacial inducida negativa, o de vaciamiento de carga por ionización de la impurezas aceptoras del SC Dr. A. Ozols 5

huecos lejos de la capa de óxido Este desplazamiento genera una zona de carga espacial

6 Bandas de Energía a (Sustrato tipo p) La estructura de bandas asociada a estos cambios de potencial 1- La polarización negativa permite el arrastre de huecos hacia la interfase de óxido Las cargas positivas hacen que el SC sea tipo P + por acumulación de cargas Dr. A. Ozols 6

permite el arrastre de huecos hacia la interfase de óxido Las cargas

7 Carga espacial inducida 2- La polarización positiva permite la formación de una capa de carga espacial inducida de modo de hacer al SC tipo n Dr. A. Ozols 7

8 Bandas de Energía a (Sustrato tipo p) La elevación de potencial de polarización permite la formación de una capa de SC tipo n Se ha formado una capa de inversión de electrones en la interfase con el óxido que crece en espesor con el potencial aplicado Dr. A. Ozols 8

formado una capa de inversión de electrones en la interfase con el

9 Bandas de Energía a (Sustrato tipo n) Dr. A. Ozols 9

10 Bandas de Energía a (Sustrato tipo n) El comportamiento complementario ocurre en un capacitor MOS con un SC tipo n 1- El potencial positivo arrastra a los electrones hacia la interfase con el óxido, ionizado las impurezas donoras del SC 2- La inversión del potencial provoca la inducción de carga por arrastre de huecos hacia la interfase con el óxido Dr. A. Ozols 10

interfase con el óxido, ionizado las impurezas donoras del SC 2- La inversión del potencial

11 Bandas de Energía a (Sustrato tipo n) 3- El incremento ulterior del potencial negativo incrementa el espesor de la región de inversión carga, tornando al SC adyacente al óxido como SC tipo p. Se ha inducido una capa de huecos. Dr. A. Ozols 11

región de inversión carga, tornando al SC adyacente al óxido

12 Espesor de la capa de carga espacial φ kt N a = E E = ln e ni fp F Fi El potencial superficial φ = E E S Fivol Fisup Diferencia entre las energías de Fermi intrínseca del volumen y la superficie El ancho de la zona de carga espacial inducida próxima a la interfase de óxido-sc x d = 2 s s ε φ en a Similar a un lado del diodo Dr. A. Ozols 12

del volumen y la superficie El ancho de la zona de carga espacial inducida próxima a

13 Espesor de la capa de carga espacial La estructura de bandas en el umbral de inversión de carga x dt = 4ε s φ fp en a La capa de carga inducida cambia al tipo de SC tipo n en la interfase próxima al óxido Dr. A. Ozols 13

φ fp en a La capa de carga inducida cambia al tipo de

14 Espesor de la capa de carga espacial Diagrama de energías de un SC tipo en el umbral de inversión de carga φ fp kt N d = ln e ni 4ε s φ fp xdt = end Dr. A. Ozols 14

15 Diferencias de la función n de trabajo Diagrama de energías de cada tipo de componente MOS antes del contacto Dr. A. Ozols 15

16 Diferencias de la función n de trabajo Diagrama de energías después del contacto E eφ + ev = eχ + eφ + eφ 2 Eg Vo + φso = φm χ + + φfp 2e g m o so fp φ m Se define la función de trabajo metal SC E φ = φ χ + + φ 2e g ms m fp Dr. A. Ozols 16

= φm χ + + φfp 2e g m o so fp φ m Se define la función de

17 OPERACIÓN N BÁSICA B DEL MOSFET Dr. A. Ozols 17

18 Estructuras del MOSFET MOSFET en modo de mejoramiento de canal n Dr. A. Ozols 18

19 Estructuras del MOSFET MOSFET en modo de vaciamiento de canal n Dr. A. Ozols 19

20 Estructuras del MOSFET MOSFET en modo de mejoramiento de canal p Dr. A. Ozols 20

21 Estructuras del MOSFET MOSFET en modo de vaciamiento de canal p Dr. A. Ozols 21

22 Relaciones de Corriente Tensión I = gv D D DS g = W L µ Q D n n Dr. A. Ozols 22

23 Relaciones de Corriente Tensión ( ) V V sat = V GS DS T ( ) V sat = V V DS GS T Dr. A. Ozols 23

24 Relaciones de Corriente Tensión Dr. A. Ozols 24

25 Relaciones de Corriente Tensión Wµ nc I = V V V V 2L 2( ) 2 D GS T DS DS Wµ nc I = V V 2L ( ) 2 D GS T Dr. A. Ozols 25

26 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión Las hipótesis utilizadas 1. La corriente en el canal es debida a la deriva en lugar de la difusión 2. No hay corriente a través de la capa de óxido 3. Es utilizada la aprimación de canal gradual para las derivadas del campo eléctrico 4. Cualquier carga fija en el óxido es equivalente a una densidad de carga en la interfase óxido-sc 5. La movilidad de los portadores en el canal es constante Dr. A. Ozols 26

27 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión De la relación de Ohm J X = σ E n X σ = eµ n y ( ) E X es el ampo eléctrico a lo largo del canal creado por la tensión V DS σ es la conductividad del canal µ n movilidad electrónica n(y) es la concentración electrónica en la capa de inversión La corriente total en el canal x x yz I = J dydz I = σ E dydz = eµ n y E dydz ( ) x X n X yz yz Dr. A. Ozols 27

28 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión I µ E en y dy dz µ E QW Qn = = = en( y) dy ( ) x n X n X n y z Donde W es el ancho del canal y La carga por unidad de área de la capa de inversión Dr. A. Ozols 28

29 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión La distribución de carga del MOSFET en el modo de mejoramiento de canal n para V GS < V T Q m Q ss La neutralidad de carga requiere que: Q + Q + Q + Q max = 0 m ss n SD ( ) Q max ( ) = en x so a dt Q n Dr. A. Ozols 29

30 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión La carga de la capa de inversión y la de la carga espacial inducida será negativas para el canal n Q = ε La ley de Gauss la carga total T n S E ds La integral sobre la superficie cerrada E n es el campo normal a la superficie S S εe ds = ε E Wdx = Q n T Pero la carga total encerrada es ( max) ( ) Q + Q + Q Wdx= Q ss n SD T ε E = Q + Q + Q ss n SD max ( ) Dr. A. Ozols 30

31 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión V x el potencial en el canal en la posición x E E = e V V ( ) Fp Fm GS x Zona del óxido y el canal Dr. A. Ozols 31

32 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión Considerando las barreras de potencial V E + φ = φ χ + + φ 2e g o so m fp ( E ) g VGS Vx = φm + V χ + + φfp φs 2e φ = 2φ Como s V V = V + 2φ + φ φ ms es la función de trabajo metal-sc GS x fp ms fp Dr. A. Ozols 32

33 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión El campo eléctrico en el óxido E = V t Como V = V V φ + φ ( ) ( 2 ) GS x fp ms E = ( VGS Vx ) ( 2φ fp + φms) ε E = Q + Q + Q ss n SD t ( max) ε ε E = V V φ + φ = Q + Q + Q ( ) ( 2 ) ( max) GS x fp ms ss n SD t Dr. A. Ozols 33

34 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión ε ε E = V V φ + φ = Q + Q + Q ( ) ( 2 ) ( max) GS x fp ms ss n SD t Entonces la corriente en el canal I = µ E QW x n X n Depende de la densidad de carga de inversión ε Q = V V + Q + Q ( ) ( 2φ φ ) ( ( max) ) n GS x fp ms ss SD t Q ε = V V + t + Q + Q ( ) ( 2φ φ ) ( ( max) ) n GS x fp ms ss SD t ε ε Q = V V V ( ) n GS T x t t 2 max ε Se define la tensión umbral V T con VT = ( φfp + φms) ( QSD( ) + Qss) Dr. A. Ozols 34

35 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión E X = dv dx ε Q = V V V ( ) n GS T x t x dv ε I = µ V V V W ( ) x x n GS T x dx t La contribución a la corriente total en el canal L Vx ( L) ε dv x x = µ n GS T x t 0 dx V (0) Idx W V V V dx x ( ) La corriente de drain I D es constante a lo largo del canal L Vx ( L) ε Idx (( ) ) x = IDL= Wµ n VGS VT Vx dvx t 0 V (0) x Dr. A. Ozols 35

36 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión ε I ( ) DL= Wµ n VGS VT Vx t V 2 x 2 V ( L) = V V x x (0) = 0 DS W µ n ε I = V V V V 2L t ( ( ) 2 2 ) D GS T DS DS Es la corriente total del MOSFET de canal n en la región sin saturacíón V GS V T 0 DS DS ( ) V V sat Dr. A. Ozols 36

37 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión La corriente tiene un máximo en V = V V ( ) DS GS T Que corresponde a W µ n ε I D = VGS VT VDS sat VDS sat 2L t ( 2( ) ( ) 2 ( )) La corriente total del MOSFET de canal n en la región de saturacíón W µ n ε I ( sat) = V V 2L t ( ) 2 D GS T V T debe determinarse experimentalmente DS DS ( ) V V sat Dr. A. Ozols 37

38 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión La corriente total para valores pequeños de V DS W µ ε I V V V ( ) n D GS T DS L t Pendiente W µ ε L n t Dr. A. Ozols 38

39 Derivación n de Relaciones de Corriente-Tensi Tensión La corriente de saturación satisface W µ n ε I ( sat) = V V 2L t ( ) 2 D GS T W µ ε I sat = V V ( ) n ( ) D GS T L t Pendiente W µ ε L n t Dr. A. Ozols 39

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