Post on 22-Jan-2018
Capacitor MOS 2
Regiane Ragi
Regimes de polarização
PARTE 3
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Após ter estudado o capacitor MOS na acumulação e na depleção, nesta
apresentação, vamos estudar o capacitor MOS no regime de inversão
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Inversão
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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
-
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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
-
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+
+
++
+
+
+
--
--
-
-
-
-
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
-
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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
-
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Vamos em seguida, discutir o diagrama de banda de energia na inversão.
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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
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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.
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A densidade de carga na inversão é representada pela quantidade Qinv (C/cm2).
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Na inversão, qψs, o encurvamento da banda, não aumenta além de 2ψB, permanecendo constante.
qψs
EFM
EFSM
EV
EC
qVg
M O S
qVox
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Se ψs não aumenta, a largura da região de depleção
Também não aumenta.
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Isto significa que, a largura da região de depleção alcançou um valor máximo.
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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.
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Então,
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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.
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Conhecendo-se a carga de depleção Wdep e Vox, podemos escrever a partir da equação geral
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Note que, a primeira parte da equação acima corresponde exatamente à tensão de limiar (tensão de threshold)
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Então, podemos escrever
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... E a partir disso, podemos escrever a carga de inversão.
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Esta equação nos conta que, o capacitor MOS sob forte inversão comporta-se como um capacitor, com um deslocamento Vt.
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Em Vg= Vt, a carga de inversão
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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.
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No entanto, poderíamos fazer a seguinte pergunta:
30
De onde vem esses elétrons do canal de inversão ?
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Sabemos que no MOSFET de canal-n, com o substrato tipo-p não existe doadores no material.
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Então pode nos parecer um pouco confuso o aparecimento desse canal de inversão.
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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.
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Elétrons são criados na região de depleção, são capturados pelo campo elétrico, e são varridos até a extremidade do gate.
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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.
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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.
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Em outras palavras, os elétrons de inversão são fornecidos pelas junções n+ do MOSFET.
substrato tipo-p
tipo-n+ tipo-n+
MetalÓxido
Semicondutor
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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
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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
- - - - - -
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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
- - - - - -
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... 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
- - - - - -
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Escolha de Vt e do tipo de dopagem
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O transistor de substrato tipo-p opera em um circuito
integrado com Vg oscilando (swinging) entre zero e
uma tensão de alimentação positiva.
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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+.
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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.
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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
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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.
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O que levaria a um grande consumo de energia e muita geração térmica.
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Analogamente, um substrato tipo-n é rotineiramente pareado com um gate p+.
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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.
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Outras combinações de gate-substrato são quase sempre nunca encontrados.
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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.
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Regimes de operação no MOS
Para entendermos os diferentes modos de polarização de um MOS nós consideramos três faixas de tensão:
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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